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

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(ZrB

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。

多元碳硼化合物陶瓷(Zr

发明内容

本发明公开了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，以解决现有技术上的问题或者其他潜在问题中的任意问题。

为解决现有技术中遇到的问题，本发明的技术方案是：一种氧化物增韧的耐烧蚀高熵碳氮化合物陶瓷，所述氧化物增韧的耐烧蚀高熵碳氮化合物陶瓷的分子式为：(Zr

进一步，所述氧化物增韧的耐烧蚀高熵碳氮化合物陶瓷的分子式为：(Ti

进一步，所述氧化物增韧的耐烧蚀高熵碳氮化合物陶瓷的分子式为：(Ti

进一步，所述氧化物增韧的耐烧蚀高熵碳氮化合物陶瓷的分子式为：(Ti

进一步，所述氧化物增韧的耐烧蚀高熵碳氮化合物陶瓷的分子式为：(Ti

进一步，所述氧化物增韧的耐烧蚀高熵碳氮化合物陶瓷的分子式为：(Ti

本发明的另一目的是提供一种制备上述的氧化物增韧的耐烧蚀高熵碳氮化合物陶瓷的方法，所述方法具体包括以下步骤：

S1)按照设计成分比例分别称取混合高熵碳氮化合物陶瓷粉末，取一定量的Nb

S2)将S1)得到的混合物料进行球磨，得到高熵碳氮化合物陶瓷粉料，

S3)将S2)得到的高熵碳氮化合物陶瓷粉料置于放电等离子烧结炉内，进行烧结，并随炉冷却，即可得到氧化物增韧的高熵碳氮化合物陶瓷，所述高熵碳氮化合物陶瓷其纳米压痕硬度为25-35GPa，弹性模量为400-600GPa，室温断裂韧性为6-12MPa*m

进一步，所述S1)中的混合陶瓷粉末包括：TiC、ZrC、HfC、VC、NbC、TaC、TiN、ZrN、HfN、VN、NbN、TaN和CrN，且所述混合陶瓷粉末与Nb

进一步，采用不锈钢罐体，不锈钢球球与混合物料比为2.5-8:1，球磨转速为100～600r/min，球磨时间为10～60h。

进一步，所述S3)中烧结的具体是工艺为：升温速度为100-200℃/min，至1600-2200℃，压力10-50MPa，保温5-15min。

一种上述方法制备的氧化物增韧的高熵碳氮化合物陶瓷应用于飞行器机翼前缘的耐热涂层或鼻锥的关键部件制备。

本发明有益效果：由于采用上述技术方案，本发明具有以下特点，本发明的高熵碳氮化合物陶瓷，初始原材料可选范围广，利于优化设计组分含量；基体相由金属元素和非金属元素嵌套形成的单相连续固溶体，该单相固溶体相比于多相材料，工况条件下不会出现由于某一相的性能提前恶化而导致工件的整体失效；在硬度以及弹性模量优异的条件下，断裂韧性高达6-12MPa*m

附图说明

图1为采用本发明方法制备的(Ti

图2a为采用本发明方法制备的(Ti

图2b为采用本发明方法制备的(Ti

图3a为采用本发明方法制备的(Ti

图3b为采用本发明方法制备的(Ti

图4为采用本发明方法制备的(Ti

具体实施方式

下面具体实施对本发明的技术方案做进一步说明。

本发明一种氧化物增韧的耐烧蚀高熵碳氮化合物陶瓷，所述氧化物增韧的耐烧蚀高熵碳氮化合物陶瓷的分子式为：(Zr

所述氧化物增韧的耐烧蚀高熵碳氮化合物陶瓷的分子式为：(Ti

所述氧化物增韧的耐烧蚀高熵碳氮化合物陶瓷的分子式为：(Ti

所述氧化物增韧的耐烧蚀高熵碳氮化合物陶瓷的分子式为：(Ti

所述氧化物增韧的耐烧蚀高熵碳氮化合物陶瓷的分子式为：(Ti

所述氧化物增韧的耐烧蚀高熵碳氮化合物陶瓷的分子式为：(Ti

本发明的另一目的是提供一种制备上述的氧化物增韧的耐烧蚀高熵碳氮化合物陶瓷的方法，所述方法具体包括以下步骤：

S1)按照设计成分比例分别称取混合高熵碳氮化合物陶瓷粉末，取一定量的Nb

S2)将S1)得到的混合物料进行球磨，得到高熵碳氮化合物陶瓷粉料，

S3)将S2)得到的高熵碳氮化合物陶瓷粉料置于放电等离子烧结炉内，进行烧结，并随炉冷却，即可得到氧化物增韧的高熵碳氮化合物陶瓷，所述高熵碳氮化合物陶瓷其纳米压痕硬度为25-35GPa，弹性模量为400-600GPa，室温断裂韧性为6-12MPa*m

所述S1)中的混合陶瓷粉末包括：TiC、ZrC、HfC、VC、NbC、TaC、TiN、ZrN、HfN、VN、NbN、TaN和CrN，且所述混合陶瓷粉末与Nb

采用不锈钢罐体，不锈钢球球与混合物料比为2.5-8:1，球磨转速为100～600r/min，球磨时间为10～60h。

所述S3)中烧结的具体是工艺为：升温速度为100-200℃/min，至1600-2200℃，压力10-50MPa，保温5-15min。

一种上述方法制备的氧化物增韧的高熵碳氮化合物陶瓷，例如成分(Ti

实施例1

氧化物增韧的耐烧蚀高熵碳氮化合物陶瓷(Ti

手套箱内称取NbC粉末9.982g、TaC粉末29.393g、HfC粉末14.509g、TiN粉末9.425g、ZrN粉末16.03g、HfN粉末14.661g，并称取Nb

取上述粉末68.5g填入直径30mm的石墨磨具中，将其置于放电等离子烧结炉内，真空度小于100Pa以下，设置压力为30MPa，升温速度为100℃/min，升温至2000℃，保温5min后随炉冷却，即可得到直径为30mm厚度为10mm的氧化物增韧的高熵碳氮化合物陶瓷。图1中红色曲线1为(Ti

将上述样品经打磨抛光，在98N负载下进行压痕实验并结合纳米压痕数据，根据Niihara的压痕断裂韧性计算公式计算断裂韧性。图3a为(Ti

实施例2

氧化物增韧的耐烧蚀高熵碳氮化合物陶瓷(Ti

手套箱内称取NbC粉末12.982g、TaC粉末29.393g、HfC粉末14.509g、TiN粉末9.425g、ZrN粉末16.03g、HfN粉末14.661g，并称取Nb

取上述粉末68.5g填入直径30mm的石墨磨具中，将其置于放电等离子烧结炉内，真空度小于100Pa以下，设置压力为30Mpa，升温速度为100℃/min，升温至2000℃，保温5min后随炉冷却，即可得到直径为30mm厚度为10mm的氧化物增韧的高熵碳氮化合物陶瓷。

将上述样品经打磨抛光，在98N负载下进行压痕实验并结合纳米压痕测得的数据：硬度31GPa，弹性模量523GPa。根据Niihara的压痕断裂韧性计算公式得到(Ti

实施例3

氧化物增韧的耐烧蚀高熵碳氮化合物陶瓷(Ti

手套箱内称取NbC粉末6.982g、TaC粉末29.393g、HfC粉末14.509g、TiN粉末9.425g、ZrN粉末16.03g、HfN粉末14.661g，并称取Nb

取上述粉末68.5g填入直径30mm的石墨磨具中，将其置于放电等离子烧结炉内，真空度小于100Pa以下，设置压力为30MPa，升温速度为100℃/min，升温至2000℃，保温5min后随炉冷却，即可得到直径为30mm厚度为10mm的氧化物增韧的高熵碳氮化合物陶瓷。

将上述样品经打磨抛光，在98N负载下进行压痕实验并结合纳米压痕测得的数据：硬度33GPa，弹性模量559GPa。根据Niihara的压痕断裂韧性计算公式得到(Ti

实施例4

氧化物增韧的耐烧蚀高熵碳氮化合物陶瓷(Ti

手套箱内称取NbC粉末15.982g、TaC粉末29.393g、HfC粉末14.509g、TiN粉末9.425g、ZrN粉末16.03g、HfN粉末14.661g混合放入球磨罐内，以300rpm的转速球磨60h，过程中需要在手套箱内，每隔10个小时打开一次球磨罐，破碎罐内粘壁料。在球磨过程中，部分高熵陶瓷粉末之间进行固溶形成多相固溶体。

取上述粉末68.5g填入直径30mm的石墨磨具中，将其置于放电等离子烧结炉内，真空度小于100Pa以下，设置压力为30MPa，升温速度为100℃/min，升温至2000℃，保温5min后随炉冷却，即可得到直径为30mm厚度为10mm的高熵碳氮化合物陶瓷。

将上述样品经打磨抛光，在98N负载下进行压痕实验并结合纳米压痕测得的数据：硬度34GPa，弹性模量547GPa。根据Niihara的压痕断裂韧性计算公式得到上述样品的断裂韧性为8.6MPa*m

实施例5

氧化物增韧的耐烧蚀高熵碳氮化合物陶瓷(Ti

手套箱内称取NbC粉末26.231g、VC粉末15.739g、TiC粉末7.485g、TiN粉末7.735g、ZrN粉末26.309g、CrN粉末16.502g混合放入球磨罐内，以300rpm的转速球磨60h，过程中需要在手套箱内，每隔10个小时打开一次球磨罐，破碎罐内粘壁料。在球磨过程中，部分高熵陶瓷粉末之间进行固溶形成多相固溶体。

取上述粉末68.5g填入直径30mm的石墨磨具中，将其置于放电等离子烧结炉内，真空度小于100Pa以下，设置压力为30MPa，升温速度为100℃/min，升温至2000℃，保温5min后随炉冷却，即可得到直径为30mm厚度为10mm的高熵碳氮化合物陶瓷。

将上述样品经打磨抛光，在98N负载下进行压痕实验并结合纳米压痕测得的数据：硬度29GPa，弹性模量554GPa。根据Niihara的压痕断裂韧性计算公式得到上述样品的断裂韧性为8.12MPa*m

本发明所制备的高熵碳氮化合物陶瓷，具有高的常温断裂韧性，利于室温加工。具有高的抗烧蚀性能，(Ti

(Ti

以上对本申请实施例所提供的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，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。