一种高熵陶瓷及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于陶瓷材料技术领域，更具体地，涉及一种高熵陶瓷及其制备方法和应用。

背景技术

“高熵”是近年来出现的新的材料设计理论，目前已成为材料研究领域的一大热点，其概念最初由高熵合金发展而来。高熵陶瓷是一种无机非金属材料，一般由4种以上的等比例或近等比例金属元素和若干种非金属元素结合而成的单相陶瓷材料。

高熵陶瓷具有高强度、硬度、优异的耐磨性、优异的耐高温强度、良好的结构稳定性和良好的耐蚀性和抗氧化性。由于组分的增加，用于探索和发现新材料的组合空间大大增加，但是大多数成分不会形成均一的单相。

高熵陶瓷由于组分的增加，陶瓷体系的构型熵增加，导致其吉布斯自由能下降，使得陶瓷体系更为稳定，性能表现出优异的稳定性。另外，由于各种原子随机分布在晶格点阵中，每个原子周围的环境以及占位均不一样，使得晶格内部有更多的晶格畸变和缺陷，滑移困难，性能提高。已报道文献中多为4元或5元的高熵陶瓷，6元及6元以上的高熵陶瓷少见报道。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的不足和缺点，提供一种高熵陶瓷。该陶瓷具有超多组元，均一固溶体相、组元稳定、硬度高及热导率低的优点。

本发明另一目的在于提供上述高熵的陶瓷的制备方法。

本发明再一目的在于提供上述高熵的陶瓷的应用。

本发明的目的通过下述技术方案来实现：

一种高熵陶瓷，所述高熵陶瓷分子式为(Me1

优选地，所述a+b+c+d+e+f+g+h＝1，且a、b、c、d、e、f、g和h为等摩尔。

优选地，所述金属氧化物的纯度为99.0～99.9wt％，金属氧化物的粒径为0.1～10μm；所述B

优选地，所述高熵粉体的纯度99.0～99.9wt％，粒径为0.1～1μm；所述高熵粉体的氧含量为0.01～0.1wt％，碳含量为0.01～0.5wt％。

优选地，所述溶剂为乙醇、丙醇、甲醇或丙酮。

优选地，所述保护气氛为N

优选地，所述升温至1400～1600℃的升温速率为5～15℃/min；所述保温时间为0.5～2h；所述升温至1000～1400℃的升温速率为100～400℃/min，所述升温至1900～2100℃时的升温速率为100～400℃/min。

优选地，所述陶瓷的相对密度>98％，硬度为35～40GPa，热导率为0.1～1W/(mK)。

所述的高熵陶瓷的制备方法，包括如下具体步骤：

S1.将金属氧化物HfO

S2.将混合粉体模压后的坯体放入石墨坩埚中，以5～15℃/min的速率升温至1400～1600℃保温0.5～2h，真空热处理，获得(Me1

S3.将(Me1

所述的高熵陶瓷在高温核反应堆、航空航天领域中的应用。所述的高温为>2000℃，超硬(>35GPa)低热导率(<1W/(mK))。

本发明的高熵陶瓷是以6～8种氧化物为原料，经过硼热碳热还原反应，制备出(Me1

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明的高熵陶瓷由于其具有6种或6种以上的组元，很难烧结出单相固溶体陶瓷，在高混合熵的条件下，材料的分相倾向性被抑制，仅出现简单的单一物相。相比于4元或者5元高熵陶瓷，组元更多，提高了高熵陶瓷的构型熵，使得体系吉布斯自由能降低，陶瓷性能更加稳定。

2.本发明通过固相反应制备出的高熵粉体，由于其粉末粒径小，纯度高，烧结驱动力大，易于烧出单相固溶体陶瓷。

3.本发明合成的高熵陶瓷粉末，相比于多种硼化物经高能球磨后获得的混合粉末，避免了高能球磨过程球磨介质的污染，从而降低高熵陶瓷粉末的污染，烧结出的高熵陶瓷性能更为优异，具有超硬(>35GPa)和低热导率(<1W/(mK))。

4.本发明的高熵陶瓷由于组元增多，各组元发生固溶，由于原子半径的差异，出现了大量的晶格畸变，其性能优于各单一组元材料，其具有更高的声子散射，相比于各组元陶瓷，拥有更低的热导率(0.1～1W/(mK))。

说明附图

图1为实施例1制得的(Hf

图2为实施例1制得的(Hf

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。

实施例1

1.以HfO

2.将混合粉体模压后的坯体放入石墨坩埚中，以10℃/min的速率升温至1600℃保温1h，真空热处理获得(Hf

3.将(Hf

图1为实施例1制得的(Hf

通过激光粒度分析测得本实施例固溶体粉末的粉末粒径为0.39μm，用碳氧分析仪测得固溶体粉末的含氧量为0.01wt％，固溶体粉末的碳含量为0.03wt％，制备得到的具有多元高熵的陶瓷材料形成单一的固溶体，其相对密度为98％，硬度为35GPa，热导率为0.3W/(mK)。

实施例2

1.以HfO

2.将混合粉体模压后的坯体放入石墨坩埚中，以15℃/min的速率升温至1400℃保温1h，真空热处理获得(Hf

3.将(Hf

通过激光粒度分析测得本实施例固溶体粉末的粉末粒径为0.62μm，用碳氧分析仪测得固溶体粉末的含氧量为0.02wt％，固溶体粉末的碳含量为0.02wt％，制备得到的具有多元高熵的陶瓷材料形成单一的固溶体，其相对密度为98％，硬度为35GPa，热导率为0.6W/(mK)。

实施例3

1.以HfO

2.将混合粉体模压后的坯体放入石墨坩埚中，以5℃/min的速率升温至1500℃保温2h，真空热处理获得(Hf

3.将(Hf

通过激光粒度分析测得本实施例固溶体粉末的粉末粒径为0.39μm，用碳氧分析仪测得固溶体粉末的含氧量为0.01wt％，固溶体粉末的碳含量为0.03wt％，制备得到的具有多元高熵的陶瓷材料形成单一的固溶体，其相对密度为98％，硬度为36GPa，热导率为0.5W/(mK)。

实施例4

1.以HfO

2.将混合粉体模压后的坯体放入石墨坩埚中，以10℃/min的速率升温至1500℃保温0.5h，真空热处理获得(Hf

3.将(Hf

通过激光粒度分析测得本实施例固溶体粉末的粉末粒径为0.26μm，用碳氧分析仪测得固溶体粉末的含氧量为0.01wt％，固溶体粉末的碳含量为0.06wt％，制备得到的具有多元高熵的陶瓷材料形成单一的固溶体，其相对密度为99％，硬度为40GPa，热导率为0.4W/(mK)。

实施例5

1.以HfO

2.将混合粉体模压后的坯体放入石墨坩埚中，以15℃/min的速率升温至1400℃保温1h，真空热处理获得(Hf

3.将(Hf

通过激光粒度分析测得本实施例固溶体粉末的粉末粒径为0.23μm，用碳氧分析仪测得固溶体粉末的含氧量为0.01wt％，固溶体粉末的碳含量为0.07wt％，制备得到的具有多元高熵的陶瓷材料形成单一的固溶体，其相对密度为99％，硬度为39GPa，热导率为0.8W/(mK)。

本发明合成的高熵陶瓷粉末，相比于多种硼化物经高能球磨后获得的混合粉末，避免了高能球磨过程球磨介质的污染，从而降低高熵陶瓷粉末的污染，烧结出的高熵陶瓷性能更为优异，所述陶瓷的相对密度>98％，硬度为35～40GPa，热导率为0.1～1W/(mK)。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合和简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。