CN116396080B - 一种低碳高熵陶瓷粉体及其制备方法 - Google Patents

一种低碳高熵陶瓷粉体及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN116396080B
CN116396080B CN202310382644.0A CN202310382644A CN116396080B CN 116396080 B CN116396080 B CN 116396080B CN 202310382644 A CN202310382644 A CN 202310382644A CN 116396080 B CN116396080 B CN 116396080B
Authority
CN
China
Prior art keywords
carbon
low
ceramic powder
temperature
entropy ceramic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202310382644.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN116396080A (zh
Inventor
黄竹林
党弦
胡小晔
袁洁燕
李昕扬
李越
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Original Assignee
Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hefei Institutes of Physical Science of CAS filed Critical Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Priority to CN202310382644.0A priority Critical patent/CN116396080B/zh
Publication of CN116396080A publication Critical patent/CN116396080A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN116396080B publication Critical patent/CN116396080B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/515Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
    • C04B35/58Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides
    • C04B35/5805Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides based on borides
    • C04B35/58064Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides based on borides based on refractory borides
    • C04B35/58078Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides based on borides based on refractory borides based on zirconium or hafnium borides
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/38Non-oxide ceramic constituents or additives
    • C04B2235/3804Borides
    • C04B2235/3813Refractory metal borides
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/65Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
    • C04B2235/656Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes characterised by specific heating conditions during heat treatment
    • C04B2235/6562Heating rate
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/65Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
    • C04B2235/656Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes characterised by specific heating conditions during heat treatment
    • C04B2235/6567Treatment time

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)

Abstract

本发明涉及一种低碳高熵陶瓷粉体及其制备方法,属于准备制造陶瓷制品的无机化合物的加工粉末技术领域。针对现有技术中的高熵陶瓷粉体碳含量高,纯度不高,杂质含量大,粒径较大,元素分布不均匀导致高红外发射率和强的高温耐受度不能兼得的技术问题,本申请提供一种低碳高熵陶瓷粉体,粉体纯度高,碳含量较低,粒径较小,元素分布均匀,兼具高红外发射率和强的高温耐受度。本申请还提供了一种低碳高熵陶瓷粉体的制备方法,采用共沉淀辅助碳/硼热还原法制备具有高红外发射率的低碳高熵陶瓷粉体,过程简单,反应易控,生产周期短,生产成本低,在较低温度下即可制备得到低碳超细高熵陶瓷粉体,更适应于高超音速飞行器下的超高温材料需求。

Description

一种低碳高熵陶瓷粉体及其制备方法
技术领域
本发明属于准备制造陶瓷制品的无机化合物的加工粉末技术领域,具体地,涉及一种低碳高熵陶瓷粉体及其制备方法。
背景技术
超高温陶瓷(ultra-high temperature ceramic materials,UHTC)是指具有超高熔点(大于3000℃)、高硬度、高稳定性及良好高温强度的一类陶瓷材料,主要包括一系列过渡金属碳化物、硼化物和氮化物。由于在极端高温服役环境中具有优异的物理化学性能以及稳定性,超高温陶瓷成为未来高超声速飞行和可重复使用运载飞船领域最具前途的隔防热候选材料。随着航天技术的发展,空天飞行器的飞行速度不断提高,对其所使用的热防护材料的要求也不断提高,现有的超高温陶瓷体系通常只能耐受2500℃以内的服役温度,在抗氧化烧蚀性、能量耗散率以及有效服役时间上存在一定局限性。而且由于红外辐射是空天飞行器在空间中飞行唯一的散热方式,高的红外发射材料能够大大降低飞行器表面的温度。因此,探索新的高红外发射热防护材料是发展高超声速飞行器和空天飞行器的迫切需求。
高熵超高温陶瓷是等(近)摩尔比的5种及以上阳离子在相同阵点随机分布形成的单相超高温陶瓷。由于高熵超高温陶瓷的高熵效应、晶格畸变效应、迟滞扩散效应和鸡尾酒效应,使得其相比传统的单主元超高温陶瓷有着更高的硬度、强度、熔点、耐磨性和热稳定性以及更低的热导率。高熵硼化物陶瓷即是高熵超高温陶瓷的一种,相比传统的复合材料及单元陶瓷,它的烧结致密度、断裂韧性以及抗氧化性都会得到进一步的增强,由于在高温下表面氧化形成玻璃态的氧化硼-金属氧化物,阻挡了氧的进一步扩散,在更高温度(>2500℃)下往往会有更好的热防护性能。而且由于高熵超高温陶瓷其中的多种杂质金属元素,引入了杂质能级,导致其中的电子跃迁更加容易,从而使超高温陶瓷有着更高的红外发射率,使其在高温环境下的散热性能更佳。
而高纯超细粒径的硼化物高熵陶瓷粉体是合成高性能硼化物高熵陶瓷材料的前提。为此,研究人员发展了机械合金化法、自蔓延高温合成法、硼热还原法和低温熔盐法等研制高熵硼化物陶瓷粉体。例如,高熵硼化物陶瓷首先是在2016年由加州大学圣地亚哥分校的Luo Jia n团队Gild等人成功研究合成[Sci.Rep.2016,6,37946],他们采用机械合金化法将5种单主元硼化物通过机械球磨成功合成了高熵硼化物,然而此种方法由于长时间的机械球磨可能会导致粉体造成污染,并造成原料氧化,导致烧结成块体的致密度较低。Tallarita等人于2019年报道了他们利用金属单质粉体和无定形硼粉,通过自蔓延高温合成法成功制备了多组元金属硼化物固溶体[Scripta.Mater.2019,158,100-104],但此方法合成的高熵陶瓷含有未固溶的二元硼化物,且转换率较低。同年2019年,Zhang等人采用硼热还原法成功制备了亚微米高熵硼化物[Scripta.Mater.2019,164,135-139],但是在XRD中发现了许多氧化物杂质,以及出现了2种硼化物晶型。Ye等人通过低温熔盐法,使用过渡金属氧化物、氧化硼和镁粉作为反应前体,并使用氯化镁作为熔融介质也成功合成出高熵硼化物[J.Am.Ceram.Soc.2020,103(9),4738],但在熔盐法合成过程中使用的熔盐和坩埚也会对制备的粉体造成污染,从而掺入杂质。
总体看来,上述四种合成方法都能够成功合成高熵硼化物陶瓷粉体,但往往由于长时间机械球磨、反应温度较高和金属单质活性较高等原因,在制备过程中容易掺入未固溶的多元硼化物和氧化物等其他杂质,且制备出的粉体颗粒较大,从而导致后续烧结成型的高熵陶瓷块体的致密度较低,力学性能和抗氧化性能达不到理想效果甚至可能相比单主元的硼化物陶瓷更低。如果合成的粉体中存在其他杂质如碳,将会影响到粉体的烧结工艺以及块体的物理化学性能;大的颗粒尺寸也会增加块体的烧结温度和降低其致密度;同时如果合成的陶瓷粉体元素分布不均匀,会导致局部相的偏析和显微结构的差异,最终也会导致烧结块体性能的下降。因此,亟需探索高质量的高熵硼化物陶瓷粉体的制备方法,实现高纯度、低碳、超细粒径、元素分布均匀的高熵硼化物陶瓷粉体,后续才能够烧结得到高致密度、强抗氧化性及力学性能优异的陶瓷块体。
发明内容
1、要解决的问题
针对现有技术中的高熵陶瓷粉体碳含量高,纯度不高,杂质含量大,粒径较大,元素分布不均匀导致高红外发射率和强的高温耐受度不能兼得的技术问题,本申请提供一种低碳高熵陶瓷粉体,粉体纯度高,碳含量较低,粒径较小,元素分布均匀,兼具高红外发射率和强的高温耐受度。本申请还提供了一种低碳高熵陶瓷粉体的制备方法,采用共沉淀辅助碳/硼热还原法制备具有高红外发射率的低碳高熵陶瓷粉体,过程简单,反应易控,生产周期短,生产成本低,在较低温度下即可制备得到低碳超细高熵陶瓷粉体,更适应于高超音速飞行器下的超高温材料需求。
2、技术方案
为达到上述目的,提供的技术方案为:
本申请的一种低碳高熵陶瓷粉体,所述低碳高熵陶瓷粉体为(Zr0.2Hf0.2Ti0.2Nb0.2Mo0.2)B2;所述低碳高熵陶瓷粉体的碳含量不高于1%;所述低碳高熵陶瓷粉体的红外发射率不低于90%;所述低碳高熵陶瓷粉体的高温耐受度不低于1700℃。
进一步地,所述低碳高熵陶瓷粉体中过渡金属元素、硼元素、碳元素的物质的量之比为1∶2.4~3∶5.1~7.9。
优选的,所述低碳高熵陶瓷粉体中过渡金属元素、硼元素、碳元素的物质的量之比为1∶2.4∶5.1。
进一步地,所述低碳高熵陶瓷粉体的粒径分布为200~300nm。
进一步地,所述低碳高熵陶瓷粉体由共沉淀辅助碳/硼热还原法制备得到。
进一步地,所述过渡金属元素的来源原料为ZrCl4,HfCl4,TiCl4,NbCl5,MoCl5;所述硼元素的来源原料为硼酸;所述碳元素的来源原料为山梨醇。
一种所述低碳高熵陶瓷粉体的制备方法,包括如下步骤:
包括制备过渡金属溶液的步骤:将等物质的量之比的ZrCl4,HfCl4,TiCl4,NbCl5,MoCl5混合后加入乙酸中,得到过渡金属溶液;
包括制备硼元素和碳元素混合溶液的步骤:将硼酸和山梨醇混合后倒入乙酸,恒温加热搅拌至溶液无色澄清透明,得到硼元素和碳元素混合溶液;
包括制备前驱体溶液的步骤:将所述过渡金属溶液均匀缓慢滴入所述硼元素和碳元素混合溶液中,持续搅拌,得到白色絮状沉淀与浅绿色前驱体溶液;所述过渡金属元素、硼元素、碳元素的物质的量之比为1∶2.4~3∶5.1~7.9;
包括将所述前驱体溶液陈化后煅烧的步骤,得到所述低碳高熵陶瓷粉体。
优选的,制备过渡金属溶液时,采用磁力搅拌。
进一步地,所述过渡金属溶液滴入所述硼元素和碳元素混合溶液中的速率为1~5mL/min。
进一步地,所述恒温加热搅拌的温度为70~80℃;所述过渡金属溶液均匀缓慢滴入所述硼元素和碳元素混合溶液中时,所述硼元素和碳元素混合溶液的温度不低于40℃。
进一步地,所述陈化步骤的参数为:于80℃陈化4~8h后,于80~120℃烘干8~12h。
进一步地,所述煅烧步骤的参数为:高温炉中使用高纯氩气作为保护气,以5~10℃/min的速率升温至1000℃,保温30min;以2~5℃/min的速率升温至1500℃,保温30min;以1~2℃/min的速率升温至1700~2000℃,保温1~4h。
3、有益效果
采用本发明提供的技术方案,与已有的公知技术相比,具有如下有益效果:
(1)本发明的一种低碳高熵陶瓷粉体,为(Zr0.2Hf0.2Ti0.2Nb0.2Mo0.2)B2,红外发射率为不低于90%,高温耐受度不低于1700℃,过渡金属元素、硼元素、碳元素的物质的量之比为1∶2.~~3∶5.1~7.9,粉体纯度高,碳含量较低,粒径较小(粒径分布为200~300nm),元素分布均匀,兼具高红外发射率和强的高温耐受度。
(2)本发明的一种低碳高熵陶瓷粉体的制备方法,使用共沉淀辅助碳/硼热还原法制备具有高红外发射率的低碳高熵陶瓷粉体,采用过渡金属氯盐、硼酸、山梨醇和乙酸作为原料混合形成前驱体沉淀混合液,烘干之后进行研磨得到前驱体粉末,再在高温炉中进行煅烧,过程简单,反应易控,生产周期短,生产成本低,在较低温度下即可制备得到低碳超细高熵陶瓷粉体,得到的粉体具有低于1%的较低碳含量,在XRD中显示单相固溶体纯相,无其他杂质峰;且通过透射电镜的EDS元素分布图显示各元素分布均匀。相比传统的单元二硼化物陶瓷粉末烧结的块体具有更高的熔点、更高的硬度、更良好的热稳定性,更适应于高超音速飞行器下的超高温材料需求;同时使用的共沉淀法相比固相反应法合成的高熵超高温陶瓷具有更低的烧结温度与更高的致密度。
附图说明
图1为本申请一种低碳高熵陶瓷粉体的制备方法的流程示意图。
图2为实施例1-2和对比例1-2制备得到的低碳高熵陶瓷粉体的XRD图谱。
图3分别为实施例1所制备的低碳高熵陶瓷粉体的SEM图。
图4为分别为实施例1所制备的低碳高熵陶瓷粉体的检测图,其中:(a)HRTEM图和衍射图像;(b)EDS元素分布图。
图5为本申请制备的低碳高熵陶瓷粉体的红外发射率光谱。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容,结合实施例对本发明作详细描述。
实施例1
本实施例的一种低碳高熵陶瓷粉体的制备方法,包括以下步骤:
S1:分别称取0.466g ZrCl4,0.641g HfCl4,0.380g TiCl4,0.541g NbCl5,0.547gMoCl5,加入同一烧杯中混合,滴加10mL乙酸(分析纯),利用磁力搅拌器搅拌至完全溶解,得到绿色澄清过渡金属溶液。
S2:称取1.484g硼酸和1.548g山梨醇,加入同一烧杯中混合,滴加15mL乙酸(分析纯),利用水浴磁力搅拌器在70℃下恒温搅拌至完全溶解,得到无色澄清透明硼元素和碳元素混合溶液,降至室温。
S3:利用磁力搅拌器持续搅拌热硼元素和碳元素混合溶液,并将A溶液以5mL/min的速率缓慢滴入B溶液中,得到白色絮状沉淀与浅绿色前驱体溶液。
S4:将步骤S3中得到的前驱体溶液先在80℃陈化6h,后在100℃温度下烘干8h,得到(Zr0.2Hf0.2Ti0.2Nb0.2Mo0.2)B2前驱体沉淀。
S5:将步骤S4中得到的前驱体沉淀利用玛瑙研钵研磨成粉末,放入高温煅烧炉中煅烧。高温炉中使用高纯氩气作为保护气,首先以10℃/min的速率升温至1000℃,在1000℃保温30min,然后以5℃/min的速率升温至1500℃,在1500℃/min保温30min,之后以2℃/min的速率升温至1900℃,并保温2h,之后以水冷降温至室温,得到(Zr0.2Hf0.2Ti0.2Nb0.2Mo0.2)B2粉体。
实施例2
本实施例的一种低碳高熵陶瓷粉体的制备方法,包括以下步骤:
S1:分别称取2.33g ZrCl4,3.205g HfCl4,1.9g TiCl4,2.705g NbCl5,2.735gMoCl5,加入同一烧杯中混合,滴加50mL乙酸(分析纯),利用磁力搅拌器搅拌至完全溶解,得到绿色澄清过渡金属溶液。
S2:称取7.42g硼酸和7.743g山梨醇,加入同一烧杯中混合,滴加75mL乙酸(分析纯),利用水浴磁力搅拌器在70℃下恒温搅拌至完全溶解,得到无色澄清透明硼元素和碳元素混合溶液,降至室温。
S3:利用磁力搅拌器持续搅拌热硼元素和碳元素混合溶液,并将A溶液以5mL/min的速率缓慢滴入B溶液中,得到白色絮状沉淀与浅绿色前驱体溶液。
S4:将步骤S3中得到的前驱体溶液先在80℃陈化6h,后在120℃温度下烘干12h,得到(Zr0.2Hf0.2Ti0.2Nb0.2Mo0.2)B2前驱体沉淀。
S5:将步骤S4中得到的前驱体沉淀利用玛瑙研钵研磨成粉末,放入高温煅烧炉中煅烧。高温炉中使用高纯氩气作为保护气,首先以10℃/min的速率升温至1000℃,在1000℃保温30min,然后以5℃/min的速率升温至1500℃,在1500℃/min保温30min,之后以2℃/min的速率升温至1900℃,并保温4h,之后以水冷降温至室温,得到(Zr0.2Hf0.2Ti0.2Nb0.2Mo0.2)B2粉体。
对比例1
本对比例的一种低碳高熵陶瓷粉体的制备方法,包括以下步骤:
S1:分别称取0.466g ZrCl4,0.641g HfCl4,0.380g TiCl4,0.541g NbCl5,0.547gMoCl5,加入同一烧杯中混合,滴加10mL乙酸(分析纯),利用磁力搅拌器搅拌至完全溶解,得到绿色澄清过渡金属溶液。
S2:称取1.855g硼酸和3.338g山梨醇,加入同一烧杯中混合,滴加15mL乙酸(分析纯),利用水浴磁力搅拌器在70℃下恒温搅拌至完全溶解,得到无色澄清透明硼元素和碳元素混合溶液,降至室温。
S3:利用磁力搅拌器持续搅拌热硼元素和碳元素混合溶液,并将A溶液以5mL/min的速率缓慢滴入B溶液中,得到白色絮状沉淀与浅绿色前驱体溶液。
S4:将步骤S3中得到的前驱体溶液先在80℃陈化6h,后在100℃温度下烘干8h,得到(Zr0.2Hf0.2Ti0.2Nb0.2Mo0.2)B2前驱体沉淀。
S5:将步骤S4中得到的前驱体沉淀利用玛瑙研钵研磨成粉末,放入高温煅烧炉中煅烧。高温炉中使用高纯氩气作为保护气,首先以10℃/min的速率升温至1000℃,在1000℃保温30min,然后以5℃/min的速率升温至1500℃,在1500℃/min保温30min,之后以2℃/min的速率升温至1700℃,并保温2h,之后以水冷降温至室温,得到(Zr0.2Hf0.2Ti0.2Nb0.2Mo0.2)B2粉体。
对比例2
本对比例的一种低碳高熵陶瓷粉体的制备方法,包括以下步骤:
S1:分别称取0.466g ZrCl4,0.641g HfCl4,0.380g TiCl4,0.541g NbCl5,0.547gMoCl5,加入同一烧杯中混合,滴加10mL乙酸(分析纯),利用磁力搅拌器搅拌至完全溶解,得到绿色澄清过渡金属溶液。
S2:称取1.36g硼酸和1.548g山梨醇,加入同一烧杯中混合,滴加15mL乙酸(分析纯),利用水浴磁力搅拌器在70℃下恒温搅拌至完全溶解,得到无色澄清透明硼元素和碳元素混合溶液,降至室温。
S3:利用磁力搅拌器持续搅拌热硼元素和碳元素混合溶液,并将A溶液以5mL/min的速率缓慢滴入B溶液中,得到白色絮状沉淀与浅绿色前驱体溶液。
S4:将步骤c1中得到的前驱体溶液先在80℃陈化6h,后在100℃温度下烘干8h,得到前驱体沉淀。
S5:将步骤d1中得到的前驱体沉淀利用玛瑙研钵研磨成粉末,放入高温煅烧炉中煅烧。高温炉中使用高纯氩气作为保护气,首先以10℃/min的速率升温至1000℃,在1000℃保温30min,然后以5℃/min的速率升温至1500℃,在1500℃/min保温30min,之后以2℃/min的速率升温至2000℃,并保温2h,之后以水冷降温至室温,得到陶瓷粉体。
纯度、形貌、碳含量及红外发射率检测。
对本发明实施例和对比例制得的(Zr0.2Hf0.2Ti0.2Nb0.2Mo0.2)B2陶瓷粉体进行纯度、形貌、碳含量及红外发射率检测,得到以下结果:
(1)采用X射线衍射分析仪对本发明实施例1-2和对比例1-2制备的(Zr0.2Hf0.2Ti0.2Nb0.2Mo0.2)B2陶瓷粉体进行物质纯度检测,如图2(a)-(d)分别为实施例1-2和对比例1-2的XRD图谱,可以看到实施例1-2和对比例1所制备的粉体均为单相固溶体,均形成了高纯高熵二硼化物,无任何其他杂峰,而对比例2中制备的高熵陶瓷中存在许多氧化物杂质。
(2)采用扫描电镜分别对本发明实施例1制备的(Zr0.2Hf0.2Ti0.2Nb0.2Mo0.2)B2陶瓷粉体进行形貌检测,陶瓷粉体的扫描电镜图如图3所示,由图3可以看出:本发明实施例1所制得的(Zr0.2Hf0.2Ti0.2Nb0.2Mo0.2)B2陶瓷粉体粒径分布均匀且较小,约为200~300nm。
(3)采用透射电镜对本发明实施例1制备的(Zr0.2Hf0.2Ti0.2Nb0.2Mo0.2)B2陶瓷粉体进行高分辨成像和选区电子衍射,如图4(a)所示,从图中可以看出所制备的粉体具有单一的晶格结构,其中晶面间距为0.2653nm,对应二硼化物的(100)晶面,晶面间距为0.3342nm,对应二硼化物的(001)晶面。可以得出,本发明实施1所制备的粉体为二硼化物的单相固溶体。
(4)采用透射电镜对本发明实施例1制备的(Zr0.2Hf0.2Ti0.2Nb0.2Mo0.2)B2陶瓷粉体进行EDS能谱分析,图4(b)为透射电镜下的EDS元素分布图,可以看出本发明实施1制备的陶瓷粉体所组成的5种过渡金属元素分布均匀,无元素聚集。
(5)采用碳硫元素分析仪对本发明实施例1-2和对比例1制备的(Zr0.2Hf0.2Ti0.2Nb0.2Mo0.2)B2陶瓷粉体进行碳含量分析,得到碳含量分别为0.5995%,0.833%和16.074%。
(6)采用傅里叶变换红外光谱仪对本发明实施例1制备的(Zr0.2Hf0.2Ti0.2Nb0.2Mo0.2)B2陶瓷粉体进行红外发射率测试,图5为本发明制备的陶瓷粉体的红外发射率。可以看到,(Zr0.2Hf0.2Ti0.2Nb0.2Mo0.2)B2陶瓷粉体在2.5~25μm的波长区间的红外发射率高达90%左右。
(7)结果表明,本发明通过共沉淀辅助硼/碳热还原法改变原料用量和煅烧温度可成功合成单相高纯低碳的(Zr0.2Hf0.2Ti0.2Nb0.2Mo0.2)B2陶瓷粉体,在1700~2000℃范围内改变温度煅烧粉体对其纯度几乎不会产生影响,都可以成功制备高纯陶瓷粉体,且按照1∶2.4∶5.1制备出的陶瓷粉体具有较低的碳含量,有利于后续的陶瓷致密化和陶瓷性能。根据对比例1可以看出虽然提高一定的碳源和硼源的比例如1∶3∶11也可以制备出高熵陶瓷粉体,但此时粉体的碳含量较高,不利与陶瓷的致密化烧结和性能;从对比例2中可以看到,若降低硼源的用量则会生成大量的氧化物杂质,导致所制备的高熵陶瓷粉末不纯。同时,制备出的粉体在2.5~25μm波长区间达到90%左右的高红外发射率,使其在空间飞行器的高温散热方面有着巨大的应用前景。本发明实施例不仅制备过程简单,不涉及复杂的反应过程、能够以短周期制备,而且所制备的(Zr0.2Hf0.2Ti0.2Nb0.2Mo0.2)B2粉体具有较高的纯度和良好的微观形貌,各元素分布也比较均匀,能够为大规模合成高熵超高温陶瓷材料提供技术基础和商业化的潜力。
以上所述实施例仅表达了本发明的优选实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形、改进及替代,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种低碳高熵陶瓷粉体的制备方法,其特征在于:包括如下步骤:
包括制备过渡金属溶液的步骤:将等物质的量之比的ZrCl4,HfCl4,TiCl4,NbCl5,MoCl5混合后加入乙酸中,得到过渡金属溶液;
包括制备硼元素和碳元素混合溶液的步骤:将硼酸和山梨醇混合后倒入乙酸,恒温加热搅拌至溶液无色澄清透明,得到硼元素和碳元素混合溶液;
包括制备前驱体溶液的步骤:将所述过渡金属溶液均匀缓慢滴入所述硼元素和碳元素混合溶液中,持续搅拌,得到白色絮状沉淀与浅绿色前驱体溶液;所述过渡金属元素、硼元素、碳元素的物质的量之比为1∶2.4~3∶5.1~7.9;
包括将所述前驱体溶液陈化后煅烧的步骤,得到所述低碳高熵陶瓷粉体;
所述低碳高熵陶瓷粉体为(Zr0.2Hf0.2Ti0.2Nb0.2Mo0.2)B2;所述低碳高熵陶瓷粉体的碳含量不高于1%;所述低碳高熵陶瓷粉体的红外发射率不低于90%;所述低碳高熵陶瓷粉体的高温耐受度不低于1700℃。
2.根据权利要求1所述的一种低碳高熵陶瓷粉体的制备方法,其特征在于:所述过渡金属溶液滴入所述硼元素和碳元素混合溶液中的速率为1~5mL/min。
3.根据权利要求1所述的一种低碳高熵陶瓷粉体的制备方法,其特征在于:所述恒温加热搅拌的温度为70~80℃;所述过渡金属溶液均匀缓慢滴入所述硼元素和碳元素混合溶液中时,所述硼元素和碳元素混合溶液的温度不低于40℃。
4.根据权利要求1所述的一种低碳高熵陶瓷粉体的制备方法,其特征在于:所述陈化步骤的参数为:于80℃陈化4~8h后,于80~120℃烘干8~12h。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种低碳高熵陶瓷粉体的制备方法,其特征在于:所述煅烧步骤的参数为:高温炉中使用高纯氩气作为保护气,以5~10℃/min的速率升温至1000℃,保温30min;以2~5 ℃/min的速率升温至1500℃,保温30min;以1~2℃/min的速率升温至1700~2000℃,保温1~4h。
6.一种低碳高熵陶瓷粉体,其特征在于:使用权利要求1-5任一项所述方法制备得到;所述低碳高熵陶瓷粉体由共沉淀辅助碳/硼热还原法制备得到。
7.根据权利要求6所述的一种低碳高熵陶瓷粉体,其特征在于:所述低碳高熵陶瓷粉体的粒径分布为200~300nm。
CN202310382644.0A 2023-04-06 2023-04-06 一种低碳高熵陶瓷粉体及其制备方法 Active CN116396080B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310382644.0A CN116396080B (zh) 2023-04-06 2023-04-06 一种低碳高熵陶瓷粉体及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310382644.0A CN116396080B (zh) 2023-04-06 2023-04-06 一种低碳高熵陶瓷粉体及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN116396080A CN116396080A (zh) 2023-07-07
CN116396080B true CN116396080B (zh) 2023-11-28

Family

ID=87007080

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202310382644.0A Active CN116396080B (zh) 2023-04-06 2023-04-06 一种低碳高熵陶瓷粉体及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN116396080B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117511262B (zh) * 2023-11-13 2024-06-18 中国科学院兰州化学物理研究所 一种水性高熵硼化物陶瓷涂料及其制备方法
CN117902890B (zh) * 2024-01-26 2024-05-28 中国科学院兰州化学物理研究所 一种尖晶石-刚玉双相高熵陶瓷粉体材料及其制备方法

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110386595A (zh) * 2019-08-20 2019-10-29 淄博星澳新材料研究院有限公司 高熵稀土磷酸盐粉体及其制备方法
CN110776310A (zh) * 2019-11-06 2020-02-11 常州大学 一种离子补偿混合物共沉淀制备钙钛矿型复合氧化物高熵陶瓷粉的方法
CN110845237A (zh) * 2019-11-28 2020-02-28 太原理工大学 高熵陶瓷粉体及其制备方法和高熵陶瓷块体
CN112408984A (zh) * 2020-10-29 2021-02-26 航天材料及工艺研究所 一种耐高温近红外吸收高熵陶瓷及其制备方法
US10950773B1 (en) * 2019-12-02 2021-03-16 Bruce H Baretz Light emitting diode devices
CN112778010A (zh) * 2020-12-31 2021-05-11 东华大学 一种高硬度高导电率的高熵陶瓷及其制备方法和应用
CN113354394A (zh) * 2021-07-15 2021-09-07 中国科学院兰州化学物理研究所 一种具有高太阳能吸收率和红外发射率高熵氧化物的制备方法
CN114180965A (zh) * 2021-12-27 2022-03-15 安徽工业大学 一种高球形度、高活性的高熵碳化物纳米粉体材料及其制备方法和应用
CN114573345A (zh) * 2022-03-24 2022-06-03 郑州大学 一种钙钛矿型高熵高发射率陶瓷涂层镀膜液的制备方法及应用
WO2022170648A1 (zh) * 2021-02-10 2022-08-18 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种高熵正极材料及其制备方法和应用
CN115093233A (zh) * 2022-07-12 2022-09-23 吉林长玉特陶新材料技术股份有限公司 一种适合于工业化宏量生产的高纯超细过渡金属碳氮化物高熵陶瓷粉体的制备方法

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20220336802A1 (en) * 2020-06-25 2022-10-20 The Regents Of The University Of California New doping strategy for layered oxide electrode materials used in lithium-ion batteries
US20220073431A1 (en) * 2020-09-09 2022-03-10 City University Of Hong Kong Method for preparing ceramic materials and products thereof

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110386595A (zh) * 2019-08-20 2019-10-29 淄博星澳新材料研究院有限公司 高熵稀土磷酸盐粉体及其制备方法
CN110776310A (zh) * 2019-11-06 2020-02-11 常州大学 一种离子补偿混合物共沉淀制备钙钛矿型复合氧化物高熵陶瓷粉的方法
CN110845237A (zh) * 2019-11-28 2020-02-28 太原理工大学 高熵陶瓷粉体及其制备方法和高熵陶瓷块体
US10950773B1 (en) * 2019-12-02 2021-03-16 Bruce H Baretz Light emitting diode devices
CN112408984A (zh) * 2020-10-29 2021-02-26 航天材料及工艺研究所 一种耐高温近红外吸收高熵陶瓷及其制备方法
CN112778010A (zh) * 2020-12-31 2021-05-11 东华大学 一种高硬度高导电率的高熵陶瓷及其制备方法和应用
WO2022170648A1 (zh) * 2021-02-10 2022-08-18 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种高熵正极材料及其制备方法和应用
CN113354394A (zh) * 2021-07-15 2021-09-07 中国科学院兰州化学物理研究所 一种具有高太阳能吸收率和红外发射率高熵氧化物的制备方法
CN114180965A (zh) * 2021-12-27 2022-03-15 安徽工业大学 一种高球形度、高活性的高熵碳化物纳米粉体材料及其制备方法和应用
CN114573345A (zh) * 2022-03-24 2022-06-03 郑州大学 一种钙钛矿型高熵高发射率陶瓷涂层镀膜液的制备方法及应用
CN115093233A (zh) * 2022-07-12 2022-09-23 吉林长玉特陶新材料技术股份有限公司 一种适合于工业化宏量生产的高纯超细过渡金属碳氮化物高熵陶瓷粉体的制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN116396080A (zh) 2023-07-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN116396080B (zh) 一种低碳高熵陶瓷粉体及其制备方法
Zhang et al. Morphology evolution of ZrB2 nanoparticles synthesized by sol–gel method
CN107721429B (zh) 碳化锆-碳化硅复合粉体材料及其制备方法
CN113816379B (zh) 一种纳米硼化铪粉体的制备方法
Hasan et al. Low temperature carbothermal and boron carbide reduction synthesis of LaB6
CN104671245A (zh) 一种碳化铪纳米粉体的制备方法
Gopal et al. Sol-gel synthesis of Ga2O3 nanorods and effect of precursor chemistry on their structural and morphological properties
CN110357106A (zh) 一种制备纳米孪晶碳化硼粉体的方法
Chen et al. A contrast of carbothermal reduction synthesis of MgAlON and AlON powders for transparent ceramics
Lu et al. Synthesis of ultra-fine hafnium carbide powders combining the methods of liquid precursor conversion and plasma activated sintering
Sarath Chandra et al. Preparation of YAG nanopowder by different routes and evaluation of their characteristics including transparency after sintering
CN104446496B (zh) 一种AlON粉体的制备方法及由其制备的透明陶瓷
Yu et al. Microwave assisted synthesis of Dy2Ti2O7 ultrafine powders by sol–gel method
CN103553093B (zh) 气流混合反应合成氧氮化铝粉体的方法及装置
Li et al. Ethanol-dependent solvothermal synthesis of monodispersed YAG powders with precursor obtained through bubbling ammonia
CN104803422A (zh) 一种纳米级铁铝尖晶石的制备方法
Wu et al. A facile pathway to prepare VO2 and V2O3 powders via a carbothermal reduction process
CN102050448B (zh) 一种Ti3SiC2基粉体的制备方法
CN102050628A (zh) 一种制备超细二硼化锆粉体的方法
CN115010171A (zh) 一种纳米锆酸镧粉体的绿色制备方法
WU et al. Fabrication and Microstructure of Gd2O2S: Tb Scintillation Ceramics from Water-bath Synthesized Nano-powders: Influence of H2SO4/Gd2O3 Molar Ratio
Nihtianova et al. Characterization of nanosized Al2 (WO4) 3
Sun et al. In situ synthesis of Al2O3–SiC powders via molten-salt-assisted aluminum/carbothermal reduction method
Kim et al. Spark plasma sintering and decomposition of the Y3NbO7: Eu phase
Wu et al. Study on synthesis and evolution of nanocrystalline Mg4Ta2O9 by aqueous sol–gel process

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant