專利名稱：鋯鈮鋁硅碳固溶體材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及陶瓷材料領(lǐng)域，具體為一種鋯鈮鋁硅碳(^vzNbJ2 (AlhSiy)4C5固溶體材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
Zr-Al-C陶瓷是一種新型的三元層狀陶瓷材料，與相應(yīng)的二元陶瓷材料ZrC相比， Zr-Al-C陶瓷具有低密度、高強(qiáng)度、易加工以及良好的抗高溫氧化性等諸多優(yōu)點(diǎn)，因而在高溫以及超高溫領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用(何靈峰.，中國科學(xué)院研究生院博士學(xué)位論文)。但作為一種高溫結(jié)構(gòu)材料，Zr-Al-C陶瓷的抗氧化性能仍然需要進(jìn)一步改進(jìn)。He等人用Si取代了部分Al合成了灶-Al-Si-C固溶體陶瓷，由于Si的加入使得在高溫氧化過程中生成抗氧化性良好的莫來石，材料的抗氧化性能因而得到了改善(J. Mater. Res.，3339-3346 (材料研究雜志))。但在高溫氧化過程中&-Al-Si-C陶瓷的氧化動力學(xué)仍然遵從直線規(guī)律，表明抗氧化性需要進(jìn)一步的改善。實(shí)驗(yàn)證明，Zr-Al-Si-C固溶體陶瓷的抗氧化性主要受氧化膜中^O2的制約，為了提高&-Al-Si-C固溶體陶瓷的抗氧化性，改善^O2的氧擴(kuò)散系數(shù)是關(guān)鍵。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種鋯鈮鋁硅碳(ZivzNbz)2(AlhSiy)4C5固溶體材料及其制備方法，在不損傷&-Al-Si-C固溶體陶瓷力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，能夠進(jìn)一步改善材料抗氧化性能。
本發(fā)明的技術(shù)方案是
一種鋯鈮鋁硅碳固溶體材料，其化學(xué)式為(ZivzNbz) 2 (Al1^ySiy) 4C5，其中，Nb取代& 的原子摩爾取代量ζ的取值范圍為0 < ζ < 0. 3，Si取代Al的原子摩爾取代量y的取值范圍為 0 < y < 0. 2。
所述鋯鈮鋁硅碳固溶體材料的制備方法，具體步驟如下
1)以均為單質(zhì)的鋯粉、鈮粉、鋁粉、硅粉和石墨粉為原料。
(Zr1^zNbz)2 (Al1^ySiy)4C5 固溶體中(ZivzNbz) (Al1^ySiy) C 的摩爾比為 2.0 G 4. 3) 5.0，其中Nb取代^ 的原子摩爾取代量ζ的取值范圍為0< ζ彡0. 3， Si取代Al的原子摩爾取代量y的取值范圍為0 < y < 0. 2 ；
2)原料粉經(jīng)物理機(jī)械方法混合10 25小時(shí)，裝入石墨模具中冷壓成型，施加的壓強(qiáng)為5 20MPa，冷壓時(shí)間1 30分鐘；
3)在通有惰性氣體保護(hù)氣氛的熱壓爐內(nèi)燒結(jié)，升溫速率為5 50°C /分鐘，燒結(jié)溫度為1700 1950°C、燒結(jié)時(shí)間為0. 5 2小時(shí)、燒結(jié)壓強(qiáng)為20 40MPa。
從而，制備出在沒有降低材料力學(xué)性能的基礎(chǔ)上組分純凈的具有優(yōu)異抗氧化性能的鋯鈮鋁硅碳固溶體材料。
所述加入的鋯粉、鈮粉、鋁粉、硅粉和石墨粉粒度范圍為200 400目；所述燒結(jié)方式為熱壓燒結(jié)或熱等靜壓燒結(jié)；所述惰性氣體為氬氣、氦氣或氖氣；所述物理機(jī)械方法混合采用在酒精介質(zhì)下的球磨法。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是
1、純度高、力學(xué)性能良好。采用本發(fā)明方法制備的鋯鈮鋁硅碳固溶體材料是將鈮元素原位固溶進(jìn)鋯鋁硅碳陶瓷晶格中，不含有其它雜質(zhì)相如碳化鋯等。鋯鈮鋁硅碳具有與鋯鋁硅碳相當(dāng)?shù)牧W(xué)性能，固溶元素鈮并未對鋯鋁硅碳陶瓷的力學(xué)性能造成不良影響。
2、抗高溫氧化能力優(yōu)異。本發(fā)明利用固溶Nb的方法合成鋯鈮鋁硅碳 (Zr1^zNbz)2 (Al1^ySiy)4C5固溶體材料，進(jìn)一步改善了灶-Al-Si-C固溶體陶瓷的抗氧化性。鋯鈮鋁硅碳固溶體在高溫氧化過程中改善了氧化產(chǎn)物的氧擴(kuò)散性能，使其高溫氧化動力學(xué)由直線規(guī)律轉(zhuǎn)為拋物線-直線混合規(guī)律，顯著地改善了鋯鋁硅碳陶瓷的抗高溫氧化能力。


圖1為本發(fā)明鋯鈮鋁硅碳固溶體材料的X射線衍射圖。其中，按原子摩爾取代量計(jì)，Nb取代鋯0. IZr和Si取代0. IAl。
圖2為(Zra9Nbtll) (Ala9Siai)4C5固溶體材料腐蝕后的掃描電子照片。
圖3 為(S^9Nbai)2(Ala9Siai)4C5 固溶體材料與不摻 Nb 的 Zr2(Ala9Siai)4C5 固溶體材料高溫氧化增重的比較。
具體實(shí)施方式
下面通過實(shí)施例詳述本發(fā)明。
實(shí)施例1
將粒度為200目的鋯粉6. 61克、鈮粉1. 68克、鋁粉4. 43克、硅粉0. 61克、和石墨 2. 61克(均為單質(zhì)，按摩爾比為(Zra9Nbai)2(Ala85Siai5)4C5))，在酒精介質(zhì)中球磨20小時(shí)， 之后裝入石墨模具中冷壓成型，施加的壓強(qiáng)為lOMPa，冷壓時(shí)間5分鐘；放入熱壓爐中熱壓燒結(jié)，升溫速率為10°C /分鐘，加熱到1950°C保溫1小時(shí)，同時(shí)壓力逐漸加到30MPa。然后溫度降低至1700°C，在1700°C保溫0. 5小時(shí)，整個(gè)保溫過程中的壓強(qiáng)都維持在30MPa，整個(gè)燒結(jié)過程都是在氬氣保護(hù)下進(jìn)行。
本實(shí)施例中，獲得的反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)X射線衍射分析(圖1)以及掃描電鏡形貌分析 (圖 2)為純凈的(Zra9Nbai)2(Ala9Siai)4C^
實(shí)施例2
取粒度為300目的鋯粉33. 05克、鈮粉8. 40克、鋁粉22. 15克、硅粉3. 05克和石墨粉13. 05克(均為單質(zhì)，按摩爾比為(Zr0.9Nb0. ^ 2 (Al0.85Si0.15) 4C5))，在酒精介質(zhì)中球磨10 小時(shí)，之后裝入石墨模具中冷壓成型，施加的壓強(qiáng)為20MPa，冷壓時(shí)間15分鐘；放入熱壓爐中熱壓燒結(jié)，升溫速率為20°C /分鐘，加熱到1900°C保溫1小時(shí)，同時(shí)壓力逐漸加到35MPa。 然后溫度降低至1800°C，在1800°C保溫1小時(shí)，整個(gè)保溫過程中的壓強(qiáng)都維持在35MPa。整個(gè)燒結(jié)過程都是在氬氣保護(hù)下進(jìn)行，獲得的反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)X射線衍射分析以及掃描電鏡形貌分析為純凈的(Zra9Nbai)2(Ala85Siai5)4C5)。
實(shí)施例3
取粒度為400目的鋯粉46. 27克、鈮粉11. 76克、鋁粉31. 03克、硅粉4. 25克和石墨粉18. 27克(均為單質(zhì)，按摩爾比為(Zra9Nbai)2(Ala85Siai5)4C5)),在酒精介質(zhì)中球磨 15小時(shí)，之后裝入石墨模具中冷壓成型，施加的壓強(qiáng)為15MPa，冷壓時(shí)間10分鐘；放入熱壓爐中熱壓燒結(jié)，升溫速率為15°C /分鐘，加熱到1850°C保溫0.5小時(shí)，同時(shí)壓力逐漸加到 40MPa。然后溫度降低至1750°C，在1750°C保溫0. 5小時(shí)，整個(gè)保溫過程中的壓強(qiáng)都維持在 40MPa。整個(gè)燒結(jié)過程都是在氬氣保護(hù)下進(jìn)行，獲得的反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)X射線衍射分析以及掃描電鏡形貌分析為純凈的(Zra9Nbai)2(Ala85Siai5)4C5)。
比較例
將粒度為400目的^ 粉62. 08克、鋁粉33. 48克、硅粉4. 62克、和石墨19.60 克(均為單質(zhì)，按摩爾比為(Zra9Nbai)2(Ala85Siai5)4C5)),按照實(shí)施例1所用工藝獲得單相純凈的Zr2(Ala9Siai)4C5陶瓷(圖1)。由恒溫氧化實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，如圖3所示，摻雜 Nb元素能顯著改善^2(Ala9Siai)4C5陶瓷的高溫抗氧化性能。以1000°C為例，未摻雜的 Zr2 (Al0.9Si0. D 4C5陶瓷氧化20小時(shí)增重69. 98克/平方米(g/m2)，而摻雜摩爾百分比為10 % Nb的(Zra9Nbai)2(Ala9Siai)4C5固溶體增重為23. 02克/平方米(g/m2)，氧化增重降低了 67%。
權(quán)利要求
1.一種鋯鈮鋁硅碳固溶體材料，其特征在于鋯鈮鋁硅碳固溶體材料的化學(xué)式為 (ZivzNbz) S(AlhySiy)4C5，其中，Nb取代ττ的原子摩爾取代量ζ的取值范圍為0 < ζ ≤0. 3， Si取代Al的原子摩爾取代量y的取值范圍為0 < y < 0. 2。
2.按照權(quán)利要求1所述的鋯鈮鋁硅碳固溶體材料的制備方法，其特征在于，鋯鈮鋁硅碳固溶體材料的制備方法，具體步驟如下1)以均為單質(zhì)的鋯粉、鈮粉、鋁粉、硅粉和石墨粉為原料；(ZivzNbz)2(AlhSiy)4C5 固溶體中(ZivzNbz) (Al1^ySiy) C 的摩爾比為 2.0 (4 4. 3) 5. 0，其中Nb取代rLx的原子摩爾取代量ζ的取值范圍為0 < ζ < 0. 3，Si取代Al 的原子摩爾取代量y的取值范圍為0 < y < 0. 2 ；2)原料粉經(jīng)物理機(jī)械方法混合10 25小時(shí)，裝入石墨模具中冷壓成型，施加的壓強(qiáng)為 5 20MPa，冷壓時(shí)間1 30分鐘；3)在通有惰性氣體保護(hù)氣氛的熱壓爐內(nèi)燒結(jié)，升溫速率為5 50°C/分鐘，燒結(jié)溫度為1700 1950°C、燒結(jié)時(shí)間為0. 5 2小時(shí)、燒結(jié)壓強(qiáng)為20 40MPa。
3.按照權(quán)利要求2所述的鋯鈮鋁硅碳固溶體材料的制備方法，其特征在于，鋯粉、鈮粉、鋁粉、硅粉和石墨粉粒度范圍為200 400目。
4.按照權(quán)利要求2所述的鋯鈮鋁硅碳固溶體材料的制備方法，其特征在于，燒結(jié)方式為熱壓燒結(jié)或熱等靜壓燒結(jié)。
5.按照權(quán)利要求2所述的鋯鈮鋁硅碳固溶體材料的制備方法，其特征在于，惰性氣體為氬氣、氦氣或氖氣。
6.按照權(quán)利要求2所述的鋯鈮鋁硅碳固溶體材料的制備方法，其特征在于，物理機(jī)械方法混合采用在酒精介質(zhì)下的球磨法。
全文摘要
本發(fā)明涉及陶瓷材料領(lǐng)域，具體為一種鋯鈮鋁硅碳固溶體材料及其制備方法。鋯鈮鋁硅碳固溶體材料的化學(xué)式為(Zr1-zNbz)2(Al1-ySiy)4C5，其中，Nb取代Zr的原子摩爾取代量z的取值范圍為0＜z≤0.3，Si取代Al的原子摩爾取代量y的取值范圍為0＜y≤0.2。首先，以鋯粉、鈮粉、硅粉、鋁粉和石墨粉為原料，經(jīng)物理機(jī)械方法混合，裝入石墨模具中冷壓成型，在通有保護(hù)氣氛的熱壓爐內(nèi)燒結(jié)，獲得鋯鈮鋁硅碳固溶體材料。本發(fā)明可以制備出單相的鋯鈮鋁硅碳固溶體材料，這種材料在不損害鋯鋁硅碳陶瓷力學(xué)性能的基礎(chǔ)上顯著地改善了其抗氧化性能。
文檔編號C04B35/622GK102531602SQ20101058135
公開日2012年7月4日 申請日期2010年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月9日
發(fā)明者盧新坡, 周延春 申請人:中國科學(xué)院金屬研究所