[发明专利]一种氧化物增韧的耐烧蚀高熵碳氮化合物陶瓷的制备方法

说明书

本发明属于高熵陶瓷技术领域，具体涉及一种氧化物增韧的耐烧蚀高熵碳氮化合物陶瓷的制备方法，本发明的氧元素以Nb₂O₅进入高熵碳氮化合物陶瓷，但最终将以ZrO₂的形式重新析出，此过程使得氧化物得到细化，并可作为第二相弥散相分布于高熵碳氮化合物陶瓷内，起到增韧作用。将混合陶瓷粉末与适量Nb₂O₅粉末混合，经球磨，放电等离子烧结制得含氧化物的高韧性耐烧蚀高熵碳氮化合物陶瓷。所述高熵碳氮化合物陶瓷硬度高达25‑35GPa，弹性模量高达400‑600GPa，断裂韧性高达6‑12MPa*m^1/2，熔点高，热稳定性好，抗烧蚀性能好，其线烧蚀率仅为0.01‑0.07％mm/s，质量烧蚀率仅为0.1‑0.3％g/s，抗热震性能，可用于极端环境下的高温防护材料。

技术领域

本发明属于高熵陶瓷技术领域，具体涉及一种氧化物增韧的耐烧蚀高熵碳氮化合物陶瓷的制备方法。

背景技术

随着航空航天技术的迅猛发展，高超声速飞行器已成为各国抢占空中和空间战略优势的利器。在长时间高超声速巡航、跨大气层飞行和大气层再入等极端环境下，飞行器机翼前缘和鼻锥等关键部件在飞行过程中与大气剧烈摩擦，产生上千摄氏度的高温及热冲击，亟需开发高性能热防护材料。特别是兼具常温条件下的可加工性能，即断裂韧性高，以及在高达3000℃的条件下长时间抗烧蚀和抗氧化，目前，传统的二元超高温陶瓷(ZrB₂，HfB₂，ZrC，HfC，TaC，HfN等)难以满足常温可加工以及高温耐烧蚀的需求。

当前高熵的概念主要涉及合金材料，高熵合金(high entropy alloy，HEA)，又称多主元、等原子比或近等原子比多组元合金，是最近发展起来的一类新型金属材料。与传统合金相比，高熵合金具有以下四个特征：(1)成分多主元。包含多个主要组成元素、各主元以等原子比或近等原子比混合、且每个主元的原子百分比含量在5-35％之间。(2)高熵效应。高熵合金具有比传统合金高得多的构型熵，因而其凝固组织容易得到简单的无序固溶体结构(包括面心立方FCC、体心立方BCC和密排六方HCP)，而不是复杂的金属间化合物相。(3)晶格畸变效应。不同原子大小的多种金属原子随机分布在同一个点阵上，势必导致晶格发生严重的扭曲变形。(4)缓慢扩散效应。化学成分的复杂性及严重的晶格畸变使得原子在高熵合金内部的扩散变得异常困难。上述特征的协同作用使得高熵合金具备一系列优异的力学、物理和化学性能，在高强度、高硬度，高耐磨性、高耐蚀性、耐高温软化、低热导率、优良软磁性等方面显示出广阔的应用前景。

到目前为止，在陶瓷领域，高熵陶瓷并无明确定义且研究较少。美国Duke大学Christina M.Rost等人首次将这种高熵合金思想用于合成高熵氧化合物陶瓷(C.M.Rost,et al.Entropy-stabilized oxides,Nat.Commun.6.2015)但仅仅是研究熵在形成单相的作用，并没有涉及高熵所带来的四大效应引起的性能提升；后续，加州大学J.Gild等人将这种高熵合金思想用于合成高熵超高温陶瓷(J.Gild et al:A New Class of High-EntropyMaterials and a New Type of Ultrahigh Temperature Ceramics,Sci.Rep.6.2016)，即在原有二元系超高温陶瓷基体中，添加与基体元素相似的多种其他元素，具有相对高的热力学混合熵，形成单一固溶体结构的化合物，可称之为高熵超高温陶瓷。并与其组成高熵陶瓷的单组元陶瓷在力学性能以及抗氧化性上进行对比，发现性能均有所提高，但对于断裂韧性没有提及。