過渡金屬硼化物-玻璃超高溫抗氧化復(fù)合材料及其制備方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)提供了一種過渡金屬硼化物?玻璃超高溫抗氧化復(fù)合材料，該復(fù)合材料由過渡金屬硼化物和玻璃制成，所述過渡金屬硼化物為HfB2、ZrB2或TiB2，所述玻璃為硅酸鹽玻璃。本發(fā)明專利技術(shù)還提供了一種制備該過渡金屬硼化物?玻璃超高溫抗氧化復(fù)合材料的方法，包括以下步驟：一、將過渡金屬硼化物粉末和玻璃粉末加入高能球磨機(jī)中球磨，得到混合粉末；二、將混合粉末壓制成型，得到壓坯；三、對(duì)壓坯進(jìn)行無(wú)壓燒結(jié)，得到過渡金屬硼化物?玻璃超高溫抗氧化復(fù)合材料。本發(fā)明專利技術(shù)復(fù)合材料能夠在高溫氧化環(huán)境中原位生成以氧化物為“骨架”、硼硅酸鹽玻璃為填充劑的復(fù)合氧化膜，具有優(yōu)良的高溫抗氧化能力和良好的抗高溫高速氣流沖刷的能力。

Transition metal boride glass ultra high temperature oxidation composite material and preparation method thereof

The present invention provides a glass transition metal boride ultrahigh temperature and oxidation resistance of composite material, the composite material is composed of transition metal borides and glass, the transition metal boride HfB

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
過渡金屬硼化物-玻璃超高溫抗氧化復(fù)合材料及其制備方法
本專利技術(shù)屬于超高溫防護(hù)
，具體涉及一種過渡金屬硼化物-玻璃超高溫抗氧化復(fù)合材料及其制備方法。
技術(shù)介紹
在所有過渡族金屬的硼化物中，IVB族金屬的硼化物在1500℃時(shí)具備最優(yōu)的高溫抗氧化性能。同時(shí)，超高溫硼化物陶瓷熔點(diǎn)高，并兼具良好的化學(xué)穩(wěn)定性和高溫力學(xué)性能，在超高溫領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。硼化物陶瓷通過熱壓燒結(jié)工藝單獨(dú)作為熱端部件，或作為碳-碳復(fù)合材料的高溫防護(hù)涂層中的重要組元，得到了廣泛的應(yīng)用。然而，超高溫硼化物陶瓷的高溫抗氧化性能受到氧化產(chǎn)物(B2O3)物理性質(zhì)的限制。當(dāng)溫度升高至1200℃左右時(shí)，氧化生成的B2O3玻璃膜軟化，黏度降低，對(duì)氧的阻擋效果有限；當(dāng)氧化溫度進(jìn)一步升高至B2O3的揮發(fā)溫度即1500℃時(shí)，B2O3揮發(fā)嚴(yán)重，這導(dǎo)致硼化物陶瓷在高溫下氧化速率過快。而且，超高溫硼化物陶瓷自身熔點(diǎn)高達(dá)3000℃左右，即使在添加助熔劑的情況下采用熱壓燒結(jié)工藝，硼化物塊體材料的制備溫度也在2000℃左右，過高的燒結(jié)制備溫度也限制了其在超高溫領(lǐng)域的應(yīng)用。玻璃涂層自身具備非常高的化學(xué)和高溫穩(wěn)定性，不存在晶界等短路擴(kuò)散通道，對(duì)氧的阻擋作用極強(qiáng)，且具備優(yōu)異的耐燒蝕性能。本專利技術(shù)經(jīng)過長(zhǎng)期深入研究發(fā)現(xiàn)，若將超高溫硼化物與玻璃陶瓷進(jìn)行復(fù)合，在高溫氧化環(huán)境中原位生成以氧化物為“骨架”、硼硅酸鹽玻璃為填充劑的復(fù)合氧化膜，在不影響硼化物陶瓷抗熱沖刷性能的同時(shí)，可以顯著提高材料的高溫抗氧化性能，同時(shí)改善復(fù)合材料的制備特性。然而，截至目前，尚未發(fā)現(xiàn)過渡金屬硼化物-玻璃超高溫抗氧化復(fù)合材料的相關(guān)技術(shù)見諸報(bào)道。專利技術(shù)內(nèi)容本專利技術(shù)所要解決的技術(shù)問題在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種過渡金屬硼化物-玻璃超高溫抗氧化復(fù)合材料，該過渡金屬硼化物-玻璃復(fù)合超高溫抗氧化復(fù)合材料可在高溫氧化環(huán)境中原位生成以氧化物為“骨架”、硼硅酸鹽玻璃為填充劑的復(fù)合氧化膜，具有優(yōu)良的高溫抗氧化能力和良好的抗高溫高速氣流沖刷的能力。為解決上述技術(shù)問題，本專利技術(shù)采用的技術(shù)方案是：過渡金屬硼化物-玻璃超高溫抗氧化復(fù)合材料，其特征在于，該復(fù)合材料由過渡金屬硼化物和玻璃制成，所述過渡金屬硼化物為HfB2、ZrB2或TiB2，所述過渡金屬硼化物的質(zhì)量占復(fù)合材料總質(zhì)量的85％～95％，所述玻璃為硅酸鹽玻璃，所述復(fù)合材料在1100℃～1800℃高溫條件下具有抗氧化和抗熱沖刷能力。上述的一種過渡金屬硼化物-玻璃超高溫抗氧化復(fù)合材料，其特征在于，所述硅酸鹽玻璃的化學(xué)成分按質(zhì)量百分比計(jì)為：B2O33％～20％，Al2O32％～15％，ZrO23％～10％，CaO或SrO23％～5％，KNO3或NaO或ZnO5％～20％，余量為SiO2。另外，本專利技術(shù)還提供一種制備上述過渡金屬硼化物-玻璃超高溫抗氧化復(fù)合材料的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：步驟一、將過渡金屬硼化物粉末和玻璃粉末加入高能球磨機(jī)中，在球磨速率為200r/min～500r/min的條件下球磨0.5h～6h，得到混合粉末；步驟二、將步驟一中所述混合粉末壓制成型，得到壓坯；步驟三、對(duì)步驟二中所述壓坯進(jìn)行無(wú)壓燒結(jié)，得到過渡金屬硼化物-玻璃超高溫抗氧化復(fù)合材料。上述的方法，其特征在于，步驟一中所述過渡金屬硼化物粉末的粒度小于3μm，所述玻璃粉末的粒徑小于5μm。上述的方法，其特征在于，步驟二中所述壓制成型的設(shè)備為粉末壓片機(jī)或冷等靜壓機(jī)，所述壓制成型的壓制力為40MPa～180MPa。上述的方法，其特征在于，步驟三中所述無(wú)壓燒結(jié)的具體過程為：將壓坯置于馬弗爐或真空燒結(jié)爐中，先在升溫速率為10℃/min～30℃/min的條件下升溫至200℃～400℃后保溫30min～120min，然后在升溫速率為10℃/min～15℃/min的條件下升溫至1000℃～1800℃后保溫30min～60min，最后隨爐冷卻至25℃室溫。本專利技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、本專利技術(shù)提供的是一種由過渡金屬硼化物和玻璃復(fù)合而成的具有超高溫抗氧化性能的復(fù)合材料，在高溫氧化環(huán)境中原位生成以氧化物為“骨架”、硼硅酸鹽玻璃為填充劑的復(fù)合氧化膜，該復(fù)合材料相對(duì)于玻璃基復(fù)合材料具有更好的抗熱沖刷性能，同時(shí)相對(duì)于硼化物陶瓷，在1100℃～1800℃高溫具有更低的高溫氧化速率。2、本專利技術(shù)通過將過渡金屬硼化物超高溫陶瓷與玻璃進(jìn)行復(fù)合，一方面可以顯著降低塊體材料的燒結(jié)溫度；另一方面，該超高溫抗氧化材料可以通過無(wú)壓燒結(jié)方法制備，具有實(shí)施簡(jiǎn)單，對(duì)設(shè)備要求低的優(yōu)點(diǎn)。下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本專利技術(shù)作進(jìn)一步詳細(xì)說明。附圖說明圖1為本專利技術(shù)實(shí)施例1制備的TiB2-玻璃超高溫抗氧化復(fù)合材料的光學(xué)顯微照片。圖2為本專利技術(shù)實(shí)施例1制備的TiB2-玻璃超高溫抗氧化復(fù)合材料的XRD圖譜。圖3為本專利技術(shù)實(shí)施例1制備的TiB2-玻璃超高溫抗氧化復(fù)合材料的SEM截面照片。圖4為本專利技術(shù)實(shí)施例2制備的TiB2-玻璃超高溫抗氧化復(fù)合材料的光學(xué)顯微照片。圖5為本專利技術(shù)實(shí)施例2制備的TiB2-玻璃超高溫抗氧化復(fù)合材料的XRD圖譜。圖6為本專利技術(shù)實(shí)施例2制備的TiB2-玻璃超高溫抗氧化復(fù)合材料的SEM截面照片。圖7為本專利技術(shù)實(shí)施例3制備的ZrB2-玻璃超高溫抗氧化復(fù)合材料的光學(xué)顯微照片。具體實(shí)施方式實(shí)施例1本實(shí)施例提出了一種TiB2-玻璃超高溫抗氧化復(fù)合材料，該復(fù)合材料由TiB2和玻璃制成，所述TiB2的質(zhì)量占復(fù)合材料總質(zhì)量的95％，所述玻璃為硅酸鹽玻璃，其化學(xué)成分按質(zhì)量百分比計(jì)為：B2O37％，Al2O35％，ZrO23％，CaO3％，KNO312％，余量為SiO2。本實(shí)施例TiB2-玻璃超高溫抗氧化復(fù)合材料的制備方法包括以下步驟：步驟一、將粒度小于3μm的TiB2粉末和粒徑小于5μm的玻璃粉末加入高能球磨機(jī)中，在球磨速率為320r/min的條件下球磨混合4h，得到混合粉末；步驟二、利用粉末壓片機(jī)或冷等靜壓機(jī)對(duì)步驟一中所述混合粉末壓制成型，控制壓制成型的壓制力為80MPa，得到規(guī)格為Φ25mm×2mm的壓坯；步驟三、對(duì)步驟二中所述壓坯進(jìn)行無(wú)壓燒結(jié)，具體過程為：將壓坯置于馬弗爐或真空燒結(jié)爐中，先在升溫速率為10℃/min～30℃/min的條件下升溫至200℃～400℃后保溫30min～120min，然后在升溫速率為10℃/min～15℃/min的條件下升溫至1000℃～1800℃后保溫30min～60min，最后隨爐冷卻至25℃室溫，得到TiB2-玻璃超高溫抗氧化復(fù)合材料。圖1為本專利技術(shù)實(shí)施例1制備的TiB2-玻璃超高溫抗氧化復(fù)合材料的光學(xué)顯微照片。由圖1可以得知：本專利技術(shù)實(shí)施例1制備的TiB2-玻璃超高溫抗氧化復(fù)合材料整體完整，棱角分明，表面無(wú)明顯空隙。圖2為本專利技術(shù)實(shí)施例1制備的TiB2-玻璃超高溫抗氧化復(fù)合材料的XRD圖譜。由圖2可知：除了添加的TiB2陶瓷的衍射峰，衍射圖譜中還出現(xiàn)了TiBO3和B2O3的衍射峰，這表明在無(wú)壓燒結(jié)過程中，TiB2氧化生成了晶態(tài)的B2O3和TiO2，且氧化產(chǎn)物進(jìn)一步發(fā)生界面反應(yīng)生成了TiBO3。圖3為本專利技術(shù)實(shí)施例1制備的TiB2-玻璃超高溫抗氧化復(fù)合材料的SEM截面照片。由圖3可知：復(fù)合材料內(nèi)部無(wú)明顯孔洞，能觀察到明顯的TiB2陶瓷顆粒，但界面反應(yīng)層不明顯。本實(shí)施例制備的TiB2-玻璃超高溫抗氧化復(fù)合材料在1200℃大氣環(huán)本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
過渡金屬硼化物?玻璃超高溫抗氧化復(fù)合材料，其特征在于，該復(fù)合材料由過渡金屬硼化物和玻璃制成，所述過渡金屬硼化物為HfB

【技術(shù)特征摘要】
1.過渡金屬硼化物-玻璃超高溫抗氧化復(fù)合材料，其特征在于，該復(fù)合材料由過渡金屬硼化物和玻璃制成，所述過渡金屬硼化物為HfB2、ZrB2或TiB2，所述過渡金屬硼化物的質(zhì)量占復(fù)合材料總質(zhì)量的85％～95％，所述玻璃為硅酸鹽玻璃，所述復(fù)合材料在1100℃～1800℃高溫條件下具有抗氧化和抗熱沖刷能力。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的過渡金屬硼化物-玻璃超高溫抗氧化復(fù)合材料，其特征在于，所述硅酸鹽玻璃的化學(xué)成分按質(zhì)量百分比計(jì)為：B2O33％～20％，Al2O32％～15％，ZrO23％～10％，CaO或SrO23％～5％，KNO3或NaO或ZnO5％～20％，余量為SiO2。3.一種制備如權(quán)利要求1或2所述過渡金屬硼化物-玻璃超高溫抗氧化復(fù)合材料的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：步驟一、將過渡金屬硼化物粉末和玻璃粉末加入高能球磨機(jī)中，在球磨速率為200r/min～500r/min的條件下...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：汪欣，李爭(zhēng)顯，杜繼紅，楊濤，李晴宇，嚴(yán)鵬，彭易發(fā)，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：西北有色金屬研究院，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：陜西,61