[发明专利]一种超高孔隙率铪钽铌三元碳化物超高温隔热材料及制备方法

说明书

本发明涉及超高温隔热材料领域，具体为一种超高孔隙率铪钽铌三元碳化物超高温隔热材料及制备方法。(Hf_xTa_yNb_1‑x‑y)C三元碳化物中，x、y的取值范围为：0x1，0y1，x+y1。以碳化铪、碳化钽和碳化铌粉末为原料，以水为分散介质配制陶瓷浆料，然后加热浆料、加入发泡剂并快速搅拌发泡，随后进行注模和冰冻形成坯体，接着真空干燥、坯体脱模和烘箱干燥，最后分别在管式炉和高温碳管炉中进行烧结，制备出具有超高孔隙率(80％～96％)、轻质、低热导率、高强度和耐超高温(2000℃)的多孔铪钽铌三元碳化物超高温隔热材料。本发明成本低廉、工艺简单，适合工业化生产，在航天航空超高温热防护领域的应用前景非常广阔。

技术领域

本发明涉及超高温隔热材料领域，具体为一种超高孔隙率(80％～96％)和耐超高温(2000℃)的铪钽铌三元碳化物多孔陶瓷隔热材料及制备方法。

背景技术

随着航天航空领域科学与技术的快速发展，超高声速飞行器的飞行速度越来越快，伴随产生的气动加热效应愈加显著，可将飞行器的关键部位温度升至超高温范围(2000℃)。因此，对气动热的高效热防护是发展高超声速飞行器的关键技术之一。面对超高温隔热的需求，目前常规可耐温至1500℃的纤维类隔热瓦已不能可靠服役，急需发展耐超高温的新型隔热材料。

超高温陶瓷熔点超过3000℃，且在极端环境中能保持稳定的物理和化学性质，主要包括过渡金属的氮化物、硼化物及碳化物。它们具有高强度、耐高温、抗烧蚀的性能优点，可在超高温下长时间保持飞行器结构外形的完整与稳定(W.G.Fahrenholtz,et al.,Scr.Mater.(材料快报).2016(129):94-99)。因此，多孔超高温陶瓷隔热材料被认为是解决当前超高温隔热的有效途径之一，将支撑新一代高超声速飞行器的快速发展。目前，绝大多数多孔超高温陶瓷的制备集中于ZrB₂、ZrC多孔陶瓷和ZrB₂-SiC、ZrC-SiC多孔复合材料，存在的主要问题包括：一、多孔材料的孔隙率低(65％～90％)；二、热导率偏高；三、强度低。如：85％孔隙率的ZrC多孔陶瓷的热导率和压缩强度为0.94W/(m·K)和0.4MPa；孔隙率为74.3％～81.6％的ZrB₂/ZrC/SiC多孔陶瓷的强度仅为1.9～1.2MPa(F.Li,et al.,J.Eur.Ceram.Soc.(欧洲陶瓷学会会刊).2014,34(15):3513-3520)。

为解决超高温隔热领域目前存在的问题，本发明采用可实现多孔陶瓷超高孔隙率(90％)的发泡-注凝-冷冻干燥技术进行材料的制备，然后选取超高温陶瓷中熔点最高的碳化铪(3890℃)、碳化钽(3880℃)，以及碳化物超高温陶瓷中热导率最低的碳化铌(6.3W/(m·K)，其它碳化物热导率30W/(m·K))为原料，并通过固溶的办法降低材料的热导率和增强力学性能，发展出具有耐超高温、抗烧蚀、超高孔隙率、低热导率和高强度的超高温热防护材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超高孔隙率铪钽铌三元碳化物超高温隔热材料及制备方法，通过新型的发泡-注凝-冷冻干燥工艺制备具有超高孔隙率、耐超高温、低热导率和高强度的(Hf_xTa_yNb_1-x-y)C多孔陶瓷超高温热防护材料，并且材料的外观形状规则完整，干燥和烧结收缩率小，可实现近净尺寸成型。

本发明的技术方案如下：

一种超高孔隙率铪钽铌三元碳化物超高温隔热材料，按摩尔比计，铪钽铌三元碳化物的化学式为(Hf_xTa_yNb_1-x-y)C，x、y的取值范围为：0x1，0y1，x+y1，(Hf_xTa_yNb_1-x-y)C三元碳化物的孔隙率为80％～96％，密度为0.45～2.35g/cm³，热导率为0.085～0.65W/(m·K)，压缩强度为0.15～10MPa，并且耐热温度高于2000℃。