CN103073332B

CN103073332B - 具有纳米孔结构的过渡金属碳化物陶瓷及其制备方法

Info

Publication number: CN103073332B
Application number: CN201310046510.8A
Authority: CN
Inventors: 薛佳祥; 张国军; 刘海涛; 徐常明
Original assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Priority date: 2013-02-05
Filing date: 2013-02-05
Publication date: 2014-07-16
Anticipated expiration: 2033-02-05
Also published as: CN103073332A

Abstract

本发明涉及一种具有纳米孔结构的过渡金属碳化物陶瓷及其制备方法，所述具有纳米孔结构的过渡金属碳化物陶瓷形成为纳米孔均匀分布于过渡金属碳化物陶瓷基体中的结构，相对密度为80%～99%，孔隙率为20%～1%；所述纳米孔为开气孔，孔径为10nm～1000nm。本发明首次通过过渡金属氮化物和碳源反应无压烧结的方法制备了具有纳米孔结构的过渡金属碳化物陶瓷。本发明利用原材料粉体发生原位合成反应，并释放出气体，从而实现了开气孔的通道的保留，导致最终合成并烧结的过渡金属碳化物基体中存在纳米孔结构。

Description

具有纳米孔结构的过渡金属碳化物陶瓷及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种具有纳米孔结构的过渡金属碳化物陶瓷及其制备方法，具体涉及通过过渡金属氮化物和碳源反应，无压烧结制备，获得孔隙率和孔径均可调节且纳米孔均匀分布于陶瓷基体中的过渡金属碳化物陶瓷，属于多孔陶瓷材料制备领域。

背景技术

过渡金属碳化物（碳化钛、碳化锆、碳化铪、碳化钒、碳化铌、碳化钽、碳化铬、碳化钼、碳化钨）以其极高的熔点、超高的硬度、优异的抗腐蚀能力、良好的热导率和电导率成为超高温陶瓷、硬质合金、电极材料以及强腐蚀环境中的重要候选材料，在工业领域有巨大的应用市场。此外，碳化钛、碳化锆等材料由于具有较低的中子吸收截面，被认为是第四代核能系统（Gen-IV）中快堆和加速器驱动次临界清洁能源系统（ADS）中惰性基体燃料的最佳候选材料之一。

作为Gen-IV系统关键材料，必须具备承受极端苛刻的中子辐照侵蚀（高达200dpa）的能力。尽管TiC、ZrC等碳化物陶瓷材料比绝大多数材料的抗辐照性能优异，但依然不能避免中子损伤，尤其是辐照过程中产生大量的裂变气体He和H₂，这些气体将聚集于材料晶界处形成氦泡等，最终导致材料的肿胀和脆变破坏。美国爱德华国家实验室的Gan等人采用Kr离子源在800℃下辐照平均晶粒尺寸为24μm的ZrC（美国CERCOM公司），结果显示：ZrC在辐照剂量达到70dpa时发生了7vol%的肿胀[J.Gan,M.K.Meyer,et al.,pp.358-364.In Effects ofRadiation on Materials:22nd Symposium,Vol.1475.Edited by T.R.Allen,R.G.Lott,J.T.Busby，andA.S.Kumar,2006]。

因此，必须设法避免应用于核能系统中的碳化物陶瓷材料的辐照损伤。目前材料设计多停留在模拟计算阶段，研究发现具有纳米孔结构的材料有利于裂变气体的有效逸出，避免裂变气体在晶界处大量聚集，造成材料肿胀和脆变破坏。

然而，绝大多数多孔材料的研究停留在泡沫法和模板法阶段，而且孔径大多为微米孔级别，这对于过渡金属碳化物陶瓷材料来说，严重降低了其本征具有的高强度、高硬度以及高热导率等性能，无法应用于对力学和热学性能要求严格的先进核能系统中。

目前对于过渡金属碳化物（MC），常规的MC商业粉体的制备方法主要采用以过渡金属氧化物（MO₂）、石墨原料的碳热还原法和以过渡金属（M）和石墨为原料的直接反应法。由于MO₂与石墨混合不均匀，团聚的MO₂原料于反应完成之前已经在高温（1300-1500℃）下快速生长，导致最终所得MC粉体颗粒尺寸较大；金属M原料的粒径较大且易发生氧化，导致产物MC团聚严重、氧杂质含量较高。总地来说，商业MC粉体粒径一般在几微米至几十微米，采用该类粉体为原料，一般需要较高的烧结温度并由此导致材料晶粒的异常生长。

另外，过渡金属碳化物由于具有极强的共价键，导致烧结过程中物质传输速度很慢，而且常规的商业粉体均含有氧化物杂质，研究发现，这些氧化物杂质在碳化物颗粒表面形成氧化物薄膜，大大降低了碳化物粉体的表面能和烧结活性，致使过渡金属碳化物陶瓷烧结陷入低温难以烧结、高温过烧的两难境地。

因此，要制备具有纳米孔结构的过渡金属碳化物陶瓷材料难上加难，急需转变思路，寻找更加合适的途径，研究制备适用于过渡金属碳化物陶瓷的方法来实现纳米孔结构的控制。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种具有纳米孔结构的过渡金属碳化物陶瓷及其制备方法。

在此，一方面，本发明提供一种具有纳米孔结构的过渡金属碳化物陶瓷，所述过渡金属碳化物陶瓷形成为纳米孔均匀分布于过渡金属碳化物陶瓷基体中的结构，相对密度为80%～99%，孔隙率为1%～20%；所述纳米孔为开气孔，孔径为10nm～1000nm。

所述过渡金属碳化物陶瓷的相对密度优选为90%～95%。

该纳米孔结构的过渡金属碳化物陶瓷的显微结构中，纳米孔均匀分布于过渡金属碳化物陶瓷基体中。其中孔隙率优选为5%～10%。又，所述纳米孔的孔径优选为10～500nm。

在本发明中，所述过渡金属碳化物包括碳化钛、碳化锆、碳化铪、碳化钒、碳化铌、碳化钽、碳化铬、碳化钼、和碳化钨。

本发明的具有纳米孔结构的过渡金属碳化物陶瓷与普通过渡金属碳化物陶瓷相比，具有较好的力学性能和热学性能。

另一方面，本发明还提供所述具有纳米孔结构的过渡金属碳化物陶瓷的制备方法，包括：以过渡金属氮化物粉体和碳源粉体为原料，将制得的陶瓷坯体采用两步无压烧结处理制得所述具有纳米孔结构的过渡金属碳化物陶瓷。

在本发明中，所述过渡金属氮化物粉体为氮化钛、氮化锆、氮化铪、氮化钒、氮化铌、氮化钽、氮化铬、氮化钼和氮化钨中的任意一种。所述碳源可以为碳黑或石墨。

本发明的方法制得的过渡金属碳化物陶瓷孔隙率和孔径的调节方式可以通过改变原料粒径和组分配比等。

优选地所述过渡金属氮化物粉体的纯度为大于95%，粒径为0.1～50μm。又，所述碳源粉体的纯度优选大于95%，粒径优选为0.1～100μm。

所述过渡金属氮化物与所述碳源的摩尔比优选为1:（0.8～1.5）。

原料粉体均匀混合后经过干燥和成型工艺制得陶瓷坯体。在本发明的制备方法中较佳地通过干压或等静压等方式使陶瓷坯体初始密度达到50%以上，然后再将其进行两步无压烧结处理以制备所述具有纳米孔结构的过渡金属碳化物陶瓷。

烧结过程中，采用两步法无压烧结，这样可以先保证过渡金属氮化物和碳源在反应温度充分反应，然后升高温度至一定温度烧结形成具有纳米孔结构的过渡金属碳化物陶瓷。所述两步无压烧结处理的第一步反应优选为在1400℃～1800℃下保温0.5～1.5小时，第二步反应优选为在2000℃～2400℃下保温时间为0.5～3小时。又，优选以10～100℃/min的升温速率升温。

此外，在所述两步无压烧结处理过程中，烧结气氛优选为真空或者惰性气氛。

本发明首次通过过渡金属氮化物和碳源反应无压烧结的方法制备了具有纳米孔结构的过渡金属碳化物陶瓷。本发明利用原材料粉体发生原位合成反应，并释放出气体，从而实现了开气孔的通道的保留，导致最终合成并烧结的过渡金属碳化物基体中存在纳米孔结构。所述过渡金属碳化物陶瓷的孔隙率和孔径可以通过改变原料粒径、原料组分配比、反应温度、反应保温时间、烧结温度、烧结保温时间、和/或烧结气氛等工艺参数进行调节；均匀分布的所述纳米孔不会大幅度降低陶瓷的力学性能和热学性能。本发明的制备工艺简单、实用，可操控性强，容易实现复杂形状的规模化生产。

附图说明

图1是实施例1两步法反应烧结第一步反应阶段制得的碳化钛陶瓷的XRD图；

图2是实施例1两步法反应烧结第二步结束后最终制得的具有纳米孔结构的碳化钛陶瓷的SEM图。

具体实施方式

以下结合下述实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

本发明通过采用过渡金属氮化物（氮化钛、氮化锆、氮化铪、氮化钒、氮化铌、氮化钽、氮化铬、氮化钼、氮化钨等）粉体和碳源粉体为原料，首先按照一定比例均匀混合原料粉体，然后经过干燥成型工艺使其成为具有一定密度的坯体，最后经过两步法反应、无压烧结制备，最终获得具有纳米孔结构的过渡金属碳化物陶瓷材料，其孔隙率可以调节控制在1%～20%，孔径可以控制在10nm～1000nm。

更具体地，作为示例，本发明可以包括以下步骤：

a)原料制备：以过渡金属氮化物粉体和碳源粉体为原料，按照过渡金属氮化物:碳黑或石墨（摩尔比）=1:（0.8～1.5）的比例混合后，获得具有不同组分的原料粉体，均匀混合的原料粉体后，经过干燥和成型工艺处理，通过干压或等静压等方式使陶瓷坯体初始密度达到50%以上；

b)烧结工艺：采用两步法无压烧结，先使过渡金属氮化物和碳源在1400℃～1800℃下保温0.5～1.5小时，保证充分反应，然后升高温度至2000℃～2400℃保温0.5～3小时，烧结形成具有纳米孔结构的过渡金属碳化物陶瓷。

在步骤a)中，所述过渡金属氮化物粉体为氮化钛、氮化锆、氮化铪、氮化钒、氮化铌、氮化钽、氮化铬、氮化钼和氮化钨中的任意一种，其纯度大于95%，粒径为0.1～50μm。在一个示例中，所述碳源粉体采用纯度大于95%，粒径为0.1～50μm的碳黑或石墨。又，所述过渡金属氮化物粉体与所述碳源粉体的摩尔比较佳为1:1。

在步骤b)中，烧结气氛可以为真空或者惰性气氛。又，较佳地以10～100℃/min的升温速率升温。

通过本发明的方法所获得的具有纳米孔结构的过渡金属碳化物陶瓷，其相对密度为80%～99%，孔隙率为1%～20%，纳米孔的孔径为10nm～1000nm，纳米孔均匀分布于陶瓷基体中。孔隙率和孔径的调节方式为改变原料粒径和组分配比，改变反应温度和反应保温时间，改变烧结温度和烧结保温时间，改变烧结气氛等。

本发明具有以下优点：（a）纳米孔显微结构可以根据制备工艺调节其孔径和孔隙率；（b）均匀分布的纳米孔不会大幅度降低陶瓷的力学性能和热学性能；（c）本发明的制备工艺简单、实用，可操控性强，容易实现复杂形状的规模化生产。

下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的温度、时间等工艺参数也仅是合适范围中的一个示例，即、本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。

实施例1

制备孔径为100nm，孔隙率为5%的TiC陶瓷，按照TiN：C的摩尔比为1:1称量：TiN粉61.867克，碳黑12.011克。具体步骤如下：

以乙醇为溶剂，以120转/分钟的速度，用Si₃N₄球辊式混料24小时，所得浆料通过旋转蒸发烘干后得到混合均匀的粉料。将混合均匀的粉体放进直径为10mm的钢模具中，先施加10MPa的压力进行预压，然后将预成型的坯体用油纸真空密封，再使用冷等静压机对油纸真空密封的坯体施加200MPa的等压载荷，在200MPa保压5分钟，使陶瓷坯体初始密度达到50%以上。随后取出坯体，放入超高温无压炉中进行反应烧结。采用两步法无压烧结，在第一步反应阶段，升温速率为50℃/min，升温至1600℃并保温1小时，该阶段保持真空环境。保温结束后，停止抽真空，炉内通入高纯氩气并保持为一个大气压，再以50℃/min的升温速度升温至2200℃并保温1小时。保温结束后，冷却到室温，取出产品即可；

图1为实施例1中TiN碳化反应烧结制备的具有纳米孔结构的TiC陶瓷材料的X射线衍射（XRD）图谱，其中曲线A为TiN与碳黑在1600℃保温1小时后的XRD曲线，曲线B为TiC标准品的XRD图谱。由图1可见，所有的衍射峰均为单相TiC的标准峰，没有其它物相出现，说明TiN和碳黑完全反应合成了单相的TiC陶瓷；

图2为实施例1中TiN碳化反应烧结制备的具有纳米孔结构的TiC陶瓷材料断口的扫描电镜（SEM）照片。由图2可见，TiC颗粒具有均匀的晶粒尺寸，纳米级气孔均匀弥散分布于陶瓷基体中；

另外，在实施例1～13中采用阿基米德排水法测试材料的相对密度和气孔率，采用扫描电镜（SEM,Hitachi TM3000，日本）观察和测量获得材料的孔径数值。检测得知：经过2200℃保温烧结1小时所制得的TiC陶瓷材料致密度为95%，气孔率为5%，孔径为100nm，且为开气孔。

实施例2

制备孔径为500nm，孔隙率为5%的TiC陶瓷。将碳源由实施例1中的碳黑换成石墨。按照TiN:C的摩尔比为1:1称量：TiN粉61.867克，石墨12.011克；

按照与实施例1相同的方法制备坯体、两步法反应无压烧结制备TiC陶瓷；

检测得知：经过2200℃保温烧结1小时所制得的TiC陶瓷材料致密度为95%，气孔率为5%，孔径为500nm，且为开气孔。

实施例3

制备孔径为10nm，孔隙率为1%的TiC陶瓷。按照与实施例1相同的方法制备坯体、两步法反应无压烧结制备TiC陶瓷，但将实施例1中2200℃保温烧结1小时变更为2300℃保温烧结2小时；

检测得知：经过2300℃保温烧结2小时所制得的TiC陶瓷材料致密度为99%，气孔率为1%，孔径为10nm，且为开气孔。

实施例4

制备孔径为1000nm，孔隙率为20%的TiC陶瓷。将碳源由实施例1中的碳黑换成石墨。按照TiN:C的摩尔比为1:1称量：TiN粉61.867克，石墨12.011克；

按照与实施例1相同的方法制备坯体、两步法反应无压烧结制备TiC陶瓷，但将实施例1中2200℃保温烧结1小时变更为2100℃保温烧结1小时；

检测得知：经过2100℃保温烧结1小时所制得的TiC陶瓷材料致密度为80%，气孔率为20%，孔径为1000nm，且为开气孔。

实施例5

制备孔径为100nm，孔隙率为10%的TiC陶瓷。按照与实施例1相同的方法制备坯体、两步法反应无压烧结制备TiC陶瓷，但将实施例1中2200℃保温烧结1小时变更为2200℃保温烧结30分钟；

检测得知：经过2200℃保温烧结30分钟所制得的TiC陶瓷材料致密度为90%，气孔率为10%，孔径为100nm，且为开气孔。

实施例6

制备孔径为100nm，孔隙率为5%的ZrC陶瓷。按照ZrN:C的摩尔比为1:1称量：ZrN粉105.224克，碳黑12.011克；

按照与实施例1相同的方法制备坯体、两步法反应无压烧结制备ZrC陶瓷，但将实施例1中2200℃保温烧结1小时变更为2250℃保温烧结1小时；

检测得知：经过2250℃保温烧结1小时所制得的ZrC陶瓷材料致密度为95%，气孔率为5%，孔径为100nm，且为开气孔。

实施例7

制备孔径为100nm，孔隙率为5%的HfC陶瓷。按照HfN:C的摩尔比为1:1称量：HfN粉192.49克，碳黑12.011克；

按照与实施例1相同的方法制备坯体、两步法反应无压烧结制备HfC陶瓷，但将实施例1中两步烧结第一步的1600℃保温1小时变更为1650℃保温1小时，把两步烧结第二步的2200℃保温烧结1小时变更为2300℃保温烧结1小时；

检测得知：经过2300℃保温烧结1小时所制得的HfC陶瓷材料致密度为95%，气孔率为5%，孔径为100nm，且为开气孔。

实施例8

制备孔径为100nm，孔隙率为5%的VC陶瓷。按照VN:C的摩尔比为1:1称量：VN粉64.9415克，碳黑12.011克；

按照与实施例1相同的方法制备坯体、两步法反应无压烧结制备VC陶瓷；

检测得知：经过2200℃保温烧结1小时所制得的VC陶瓷材料致密度为95%，气孔率为5%，孔径为100nm，且为开气孔。

实施例9

制备孔径为100nm，孔隙率为5%的NbC陶瓷。按照NbN:C的摩尔比为1:1称量：NbN粉106.9064克，碳黑12.011克；

按照与实施例1相同的方法制备坯体、两步法反应无压烧结制备NbC陶瓷，但将实施例1中2200℃保温烧结1小时变更为2250℃保温烧结1小时；

检测得知：经过2250℃保温烧结1小时所制得的NbC陶瓷材料致密度为95%，气孔率为5%，孔径为100nm，且为开气孔。

实施例10

制备孔径为100nm，孔隙率为5%的TaC陶瓷。按照TaN:C的摩尔比为1:1称量：TaN粉194.9479克，碳黑12.011克；

按照与实施例1相同的方法制备坯体、两步法反应无压烧结制备TaC陶瓷，但将实施例1中两步烧结第一步的1600℃保温1小时变更为1650℃保温1小时，把两步烧结第二步的2200℃保温烧结1小时变更为2300℃保温烧结1小时；

检测得知：经过2300℃保温烧结1小时所制得的TaC陶瓷材料致密度为95%，气孔率为5%，孔径为100nm，且为开气孔。

实施例11

制备孔径为100nm，孔隙率为5%的CrC陶瓷。按照CrN:C的摩尔比为1:1称量：CrN粉65.996克，碳黑12.011克；

按照与实施例1相同的方法制备坯体、两步法反应无压烧结制备CrC陶瓷；

检测得知：经过2200℃保温烧结1小时所制得的CrC陶瓷材料致密度为95%，气孔率为5%，孔径为100nm，且为开气孔。

实施例12

制备孔径为100nm，孔隙率为5%的MoC陶瓷。按照MoN:C的摩尔比为1:1称量：MoN粉109.94克，碳黑12.011克；

按照与实施例1相同的方法制备坯体、两步法反应无压烧结制备MoC陶瓷，但将实施例1中2200℃保温烧结1小时变更为2250℃保温烧结1小时；

检测得知：经过2250℃保温烧结1小时所制得的MoC陶瓷材料致密度为95%，气孔率为5%，孔径为100nm，且为开气孔。

实施例13

制备孔径为100nm，孔隙率为5%的WC陶瓷。按照WN:C的摩尔比为1:1称量：WN粉197.85克，碳黑12.011克；

按照与实施例1相同的方法制备坯体、两步法反应无压烧结制备WC陶瓷，但将实施例1中两步烧结第一步的1600℃保温1小时变更为1650℃保温1小时，把两步烧结第二步的2200℃保温烧结1小时变更为2300℃保温烧结1小时；

检测得知：经过2300℃保温烧结1小时所制得的WC陶瓷材料致密度为95%，气孔率为5%，孔径为100nm，且为开气孔。

综上所述可见，本发明采用过渡金属氮化物、碳黑或石墨等碳源为原料，通过两步法反应无压烧结工艺，利用原材料粉体发生原位合成反应，并释放出气体，从而实现了开气孔的通道的保留，导致最终合成并烧结的过渡金属碳化物基体中存在纳米孔结构。所获得的陶瓷材料是一种具有纳米孔结构的过渡金属碳化物陶瓷材料，其显微结构为纳米孔均匀分布于过渡金属碳化物陶瓷基体中，孔隙率和孔径均可以自由调节控制。

产业应用性：本发明的具有纳米孔结构的过渡金属碳化物陶瓷的纳米孔均匀分布于过渡金属碳化物陶瓷基体中，该陶瓷具有良好的力学性能和热学性能。本发明的具有纳米孔结构的过渡金属碳化物陶瓷的制备方法工艺简单、实用，可操控性强，容易实现复杂形状的规模化生产，可应用于第四代核能系统（Gen-IV）的惰性基体燃料等领域。

Claims

1.一种具有纳米孔结构的过渡金属碳化物陶瓷的制备方法，其特征在于，包括：以过渡金属氮化物粉体和碳源粉体为原料，将制得的陶瓷坯体采用两步无压烧结处理制得所述具有纳米孔结构的过渡金属碳化物陶瓷；其中所述过渡金属氮化物与所述碳源的摩尔比为1:（0.8～1.5），所述两步无压烧结处理的第一步反应温度为1400℃～1800℃下保温0.5～1.5小时，第二步反应温度为2000℃～2400℃下保温时间为0.5～3小时。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述过渡金属氮化物粉体为氮化钛、氮化锆、氮化铪、氮化钒、氮化铌、氮化钽、氮化铬、氮化钼和氮化钨中的任意一种；所述碳源为碳黑或石墨。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述过渡金属碳化物包括碳化钛、碳化锆、碳化铪、碳化钒、碳化铌、碳化钽、碳化铬、碳化钼、和碳化钨。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述过渡金属氮化物粉体的纯度大于95%，粒径为0.1～50μm；所述碳源粉体的纯度大于95%，粒径为0.1～100μm。

5.根据权利要求1～3中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述陶瓷坯体的初始密度为50%以上。

6.根据权利要求1～3中任一项所述的制备方法，其特征在于，在所述两步无压烧结处理过程中烧结气氛为真空或者惰性气氛。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，在所述两步无压烧结处理过程中以10～100℃/min的升温速率升温。

8.一种根据权利要求1～7中任一项所述的制备方法制备的具有纳米孔结构的过渡金属碳化物陶瓷，其特征在于，所述具有纳米孔结构的过渡金属碳化物陶瓷形成为纳米孔均匀分布于过渡金属碳化物陶瓷基体中的结构，相对密度为80%～99%，孔隙率为20%～1%；所述纳米孔为开气孔，孔径为10nm～1000nm。