【技術實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術屬于超高溫陶瓷設計及制備。更具體地說，通過合成(zrxta1-x)b2超高溫陶瓷硼化物固溶體，結(jié)合sic相的引入，提升復相陶瓷的抗氧化性能，采用濕法球磨和放電等離子燒結(jié)工藝實現(xiàn)(zrxta1-x)b2-sic抗氧化陶瓷的熱壓快速燒結(jié)制備。
技術介紹
1、超高溫陶瓷(uhtcs)具有高熔點(>3000℃)、低密度，高硬度、高比強、中等的熱膨脹系數(shù)、良好的抗氧化性和力學性能等優(yōu)異性能，是航空航天領域極具應用潛力的高溫熱防護材料。其中，在zrb2中引入sic相后構(gòu)成zrb2-sic復相陶瓷，其氧化后生成的硼硅酸鹽玻璃層，可以有效提升陶瓷在寬溫域范圍內(nèi)的抗氧化性能，是最具應用潛力的超高溫抗氧化陶瓷體系之一。然而，zrb2-sic陶瓷在高溫長時氧化以及氣流沖刷環(huán)境下，表面的富sio2玻璃膜會加速揮發(fā)，使得抗氧化性能和力學性能顯著下降。當前，國內(nèi)外研究人員多采用引入添加劑調(diào)控玻璃膜結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性的方法，來提升zrb2-sic陶瓷的抗氧化性能。研究表明，可通過引入陽離子場強較高(e＝z/r2，其中z為陽離子化合價，r為離子半徑)的元素化合物tab2，促進表面玻璃膜的相分離，減小玻璃膜揮發(fā)速率，提高玻璃膜粘度，進而提升陶瓷抗氧化能力。同時zrb2和tab2具有相似的晶體結(jié)構(gòu)，能夠形成(zrxta1-x)b2固溶體，氧化后ta5+可以部分取代zro2中的zr4+，減小zro2中的氧空位濃度，降低氧化層中的氧擴散速率，從而提升陶瓷氧化防護能力。
2、然而，當前制備(zrxta1-xb2)-sic陶瓷的相關研究較少，且多采用
技術實現(xiàn)思路
1、本專利技術針對zrb2-sic陶瓷體系抗氧化性能優(yōu)化問題，為克服現(xiàn)有zrb2-sic陶瓷高溫抗氧化性能的不足，通過引入tab2形成(zrxta1-x)b2固溶體，通過晶胞建模并對態(tài)密度和布居數(shù)進行計算，完成陶瓷體系的成分優(yōu)化設計；同時，通過球磨混合及燒結(jié)工藝優(yōu)化，實現(xiàn)細晶高純(zrxta1-xb2)-sic復相陶瓷的快速制備、致密度提升以及復相陶瓷中各相的彌散分布和均勻混合。具體為通過引入tab2形成(zrxta1-x)b2固溶體，對zrb2-sic進行抗氧化成分優(yōu)化；采用超細粉末，利用全方位濕法球磨工藝，實現(xiàn)復相陶瓷粉末中各相的彌散分布和均勻混合；采用放電等離子熱壓快速燒結(jié)技術，通過設定合適的升溫方式、燒結(jié)溫度、燒結(jié)壓力和保溫時間，使得混合粉末充分燒結(jié)，實現(xiàn)高致密度、細晶高純(zrxta1-xb2)-sic陶瓷的快速制備，進一步提升其氧化防護能力。
2、本專利技術的目的通過以下技術方案實現(xiàn)：
3、一種熱壓快速燒結(jié)制備(zrxta1-x)b2-sic抗氧化陶瓷的方法，包括以下步驟：
4、s1：組分設計，包括：
5、s1.1：晶胞建模，選用高溫石英β-sio2為基礎計算模型，將初級胞擴建至2x2x1疊放模型形成超胞，將b、ta、zr原子引入晶胞內(nèi)形成摻雜結(jié)構(gòu)；
6、s1.2對摻雜后的晶胞體系進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中其結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)為：
7、選用泛函為gga、pw91，bfgs法則與超軟贗勢，350ev截斷能，符合摻雜原子與體系結(jié)構(gòu)收斂要求，設定的收斂參數(shù)體系總能量小于10-6ev/atom，最小原子力為k點網(wǎng)格小于0.001ev/1×1超晶胞；
8、s1.3：對晶胞中si-o鍵的態(tài)密度和布居數(shù)進行計算，包括：
9、s1.3.1：對不同zr摻雜方式的b-sio2晶胞進行結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性優(yōu)化調(diào)整直到晶胞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，并采用優(yōu)化后的結(jié)果進行溶解能計算；
10、s1.3.2：對不同ta摻雜方式的b-sio2晶胞進行結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性優(yōu)化調(diào)整直到晶胞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，并采用優(yōu)化后的結(jié)果進行溶解能計算；
11、s1.3.3：分析ta摻雜b-si-o玻璃后對玻璃穩(wěn)定性的影響，選取b-sio2晶胞、ta取代摻雜b-sio2晶胞進行布居數(shù)和態(tài)密度計算；
12、s1.4根據(jù)計算結(jié)果，得到zrb2-sic體系抗氧化陶瓷的優(yōu)化成分；
13、s2：依據(jù)s1設計的組分，進行(zrxta1-x)b2-sic抗氧化陶瓷制備，包括：
14、s2.1混合粉體預處理：稱量zrb2、α-sic和tab2三種超細粉末，保持zrb2、sic粉末體積比4：1，zrb2粉末與α-sic粉末的粒徑比為3:1，加入tab2粉末，利用全方位行星式球磨機將粉末混合均勻得到混合粉末，tab2粉末在混合粉末的占比為10vol.％；
15、s2.2燒結(jié)預處理：準備放電等離子燒結(jié)所需的模具，使壓頭與模具內(nèi)壁緊密配合，將經(jīng)過預處理后得到的混合粉末倒入模具中并平鋪均勻；
16、s2.3陶瓷制備：將組裝好的模具放入放電等離子燒結(jié)爐中進行燒結(jié)，設定燒結(jié)溫度為1600-1900℃，升溫速率為50-100℃/min，燒結(jié)壓力為30-50mpa，采用階梯升溫工藝，第一階段為升溫到800℃后保溫5-30min，第二階段為升溫到1400℃后保溫5-30min，第三階段為升溫到1600-1900℃后保溫5-30min，燒結(jié)完成后待爐內(nèi)溫度冷卻至40℃以下取出，得到(zrxta1-x)b2-sic抗氧化陶瓷。
17、進一步的，步驟s2.3中，在800℃和1400℃保溫時同時進行除氣。
18、進一步的，混合粉體預處理步驟中，將超細粉末放入球磨罐中并加入無水乙醇，球磨機轉(zhuǎn)速設定為130-150rmp，并采用正反轉(zhuǎn)球磨工藝，將粉末充分打散混合均勻；球磨后將液體和磨球倒出，將粉體放入烘干箱中進行烘干，隨后將烘干后的結(jié)塊粉末破碎，最終得到混合粉末。
19、進一步的，所述球磨罐為聚四氟乙烯罐，罐中倒入無水乙醇并沒過粉體表面。
20、進一步的，烘干溫度為70℃，時間12h。
21、進一步的，所述結(jié)塊粉末用瑪瑙研缽研磨并破碎。
22、進一步的，步驟s2.2中，所述模具為石墨模具。
23、進一步的，步驟s2.2中，將石墨模具內(nèi)壁用石墨紙完全包裹后，使得壓頭與模具內(nèi)壁緊密配合。
24、進一步的，根據(jù)所述方法所制備的(zrxta1-x)b2-sic抗氧化陶瓷，所述(zrxta1-x)b2-sic抗氧化陶瓷形成有(zrxta1-x)b2固溶體，相組成為sic和(zrxta1-x)b2。
25、進一步的，(zrxta1-x)b2-sic陶瓷的相對密度不低于97％，且經(jīng)1400℃、20h氧化后，氧化增重不高于10mg/mm2，殘余強度保持率不低于92％。
26、相比現(xiàn)有技術，本專利技術所具有的有益效果本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術保護點】
1.一種熱壓快速燒結(jié)制備(ZrxTa1-x)B2-SiC抗氧化陶瓷的方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種熱壓快速燒結(jié)制備(ZrxTa1-x)B2-SiC抗氧化陶瓷的方法，其特征在于，步驟S2.3中，在800℃和1400℃保溫時同時進行除氣。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種熱壓快速燒結(jié)制備(ZrxTa1-x)B2-SiC抗氧化陶瓷的方法，其特征在于，混合粉體預處理步驟中，將超細粉末放入球磨罐中并加入無水乙醇，球磨機轉(zhuǎn)速設定為130-150rmp，并采用正反轉(zhuǎn)球磨工藝，將粉末充分打散混合均勻；球磨后將液體和磨球倒出，將粉體放入烘干箱中進行烘干，隨后將烘干后的結(jié)塊粉末破碎，最終得到混合粉末。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種熱壓快速燒結(jié)制備(ZrxTa1-x)B2-SiC抗氧化陶瓷的方法，其特征在于，所述球磨罐為聚四氟乙烯罐，罐中倒入無水乙醇并沒過粉體表面。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種熱壓快速燒結(jié)制備(ZrxTa1-x)B2-SiC抗氧化陶瓷的方法，其特征在于，烘干溫度為70℃，時間12h。
6.根據(jù)
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種熱壓快速燒結(jié)制備(ZrxTa1-x)B2-SiC抗氧化陶瓷的方法，其特征在于，步驟S2.2中，所述模具為石墨模具。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種熱壓快速燒結(jié)制備(ZrxTa1-x)B2-SiC抗氧化陶瓷的方法，其特征在于，步驟S2.2中，將石墨模具內(nèi)壁用石墨紙完全包裹后，使得壓頭與模具內(nèi)壁緊密配合。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8任一項方法所制備的(ZrxTa1-x)B2-SiC抗氧化陶瓷，其特征在于，所述(ZrxTa1-x)B2-SiC抗氧化陶瓷形成有(ZrxTa1-x)B2固溶體，相組成為SiC和(ZrxTa1-x)B2。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-8任一項方法所制備的(ZrxTa1-x)B2-SiC抗氧化陶瓷，其特征在于，(ZrxTa1-x)B2-SiC陶瓷的相對密度不低于97％，且經(jīng)1400℃、20h氧化后，氧化增重不高于10mg/mm2，殘余強度保持率不低于92％。
...【技術特征摘要】
1.一種熱壓快速燒結(jié)制備(zrxta1-x)b2-sic抗氧化陶瓷的方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種熱壓快速燒結(jié)制備(zrxta1-x)b2-sic抗氧化陶瓷的方法，其特征在于，步驟s2.3中，在800℃和1400℃保溫時同時進行除氣。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種熱壓快速燒結(jié)制備(zrxta1-x)b2-sic抗氧化陶瓷的方法，其特征在于，混合粉體預處理步驟中，將超細粉末放入球磨罐中并加入無水乙醇，球磨機轉(zhuǎn)速設定為130-150rmp，并采用正反轉(zhuǎn)球磨工藝，將粉末充分打散混合均勻；球磨后將液體和磨球倒出，將粉體放入烘干箱中進行烘干，隨后將烘干后的結(jié)塊粉末破碎，最終得到混合粉末。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種熱壓快速燒結(jié)制備(zrxta1-x)b2-sic抗氧化陶瓷的方法，其特征在于，所述球磨罐為聚四氟乙烯罐，罐中倒入無水乙醇并沒過粉體表面。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種熱壓快速燒結(jié)制備(zrxta1-x)b2-sic抗氧化陶瓷的方法，其特征在于，烘干溫度為70℃，時間12h。
6.根據(jù)...
【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：魯園園，李露，于悅，馬朝利，
申請(專利權(quán))人：天目山實驗室，
類型：發(fā)明
國別省市：
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