專利名稱：一種原位反應(yīng)制備鉿鋁碳陶瓷材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及耐超高溫陶瓷的帝恪技術(shù)，特別提供了一種原位反應(yīng)制備鉿鋁碳
(Hf3Al3C5、 Hf3Al4C6、 Hf2AUC5及多相復合)陶瓷材料的方法。
背景技術(shù)：
鉿鋁碳(Hf3Al3C5、 Hf3AUC6、 Hf2Al4C5及多相復合)陶瓷材料是新型的耐超 高溫、抗氧化的三元材料。它們綜合了高模量、高硬度、抗氧化、耐腐蝕、高電 導率、熱導率、較強的破壞容忍性等優(yōu)點。在航空、航天、核工業(yè)、超高溫結(jié)構(gòu)
件等高新技術(shù)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。盡管鉿鋁碳(Hf3Al3C5、Hf3Al4C6、Hf2Al4C5
及多相復合)陶瓷材料具有如此優(yōu)異的性能，制備上的困難限制了對其性能的研 究與它的應(yīng)用。迄今為止關(guān)于鉿鋁碳(Hf3Al3C5、 Hf3Al4C6、 Hf2ALA及多相復合) 陶瓷材料制備方面的文獻報道只有一篇。文獻1 (Z. Metallkd.(德國金屬學報)71 (1980) 341)中采用Hf粉、度粉、Hf-Al合金粉、AUC3粉和C粉，在1000°C熔 煉170 h或700°C熔煉850 h合成了含有Hf3Al3C5和Hf2Al3C4的混合物。這禾中合 成方法制備的材料純度很低，并含有多種低熔點相，如Hf-Al金屬間化合物和 Hf5Al3C。這種方法主要是為繪制相圖所用，對制備高性能的鉿鋁碳(Hf3Al3C5、 Hf3Al4C6、Hf2Al4C5及多相復合)陶瓷材料不實用，而且用該方法未發(fā)現(xiàn)有Hf3Al4C6 和Hf2MC5相。迄今為止，關(guān)于鉿鋁碳陶瓷材料制備方面附艮邀艮少。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出了一種原位反應(yīng)制備鉿鋁碳(Hf3Al3C5、 Hf3Al4C6、 Hf2ALA及多相復合)超高溫陶瓷材料的方法。該方法以Hf粉、Al粉和C粉為 原料，在較低溫度，短時間內(nèi)合成了鉿鋁碳(Hf3Al3C5、 Hf3Al4C6、 Hf2AUC5及多 相復合)陶瓷材料，解決現(xiàn)有技術(shù)制備的鉿鋁碳陶瓷材料不實用等問題。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下
一種原位反應(yīng)制備鉿鋁碳陶瓷材料的方法，該方法特征在于
1) 原料組成及成分范圍以Hf粉、Al粉和C粉為原料，按化學計量比，Hf: Al: C = (2-3): (2~6): (f 7); 按化學計量比，Hf:Al:C = 3:(2"4):(4^6)，合成單相Hf3Al3C5; 按化學計量比，Hf:Al:C = 3:(3~6):(^"7)，合成單相HftAUC" 按化學計量比，Hf:Al:C = 2:(3-5):(4^6)，合成單相Hf2Al4C5;
合成Hf3Al3Cs、 Hf3AUC6與Hf2Al4C5多相復合材料時，化學計量比在以上比
例之間調(diào)節(jié)。
2) 制備工藝
原料經(jīng)過球磨5-50小時，以10~20 MPa的壓力常溫下冷壓成餅狀，駄石 墨模具中，在通有惰性氣體(如氬氣)作為保護氣(或真空下，真空度高于10—]Pa) 的熱壓爐中以2-50。C/min (優(yōu)選為5-30°C/min)的升溫速率升至1600°C-2400°C 原位反應(yīng)0.14小時(雌為0.5-2小時)，合成粉體陶瓷材料；或者，在原位反 應(yīng)同時進行熱壓，熱壓壓力為2(M0MPa (優(yōu)選為30MPa)，合成i央體陶瓷材料。
本發(fā)明中，Hf粉、Al粉和C粉的粒度為200-400目；采用本發(fā)明方法獲得 的給鋁碳陶瓷±央體材料大小在0 (25-100) mmX (2-50) mm。
本發(fā)明的特點是
1. 本發(fā)明選用原料簡單，分別是Hf粉、A1粉和C粉。
2. 本發(fā)明在合成的材料中首次發(fā)現(xiàn)了 Hf3AUC6和Hf2Al4C5兩個新化合物。
3. 本發(fā)明通過原位反應(yīng)熱壓，燒結(jié)與致密化同時進行，獲得鉿鋁碳(班3八13(:5、 Hf3Al4C6、 Hf2MC5及多相復合)塊體材料，還可以由無熱壓制備相應(yīng)的粉體材料。
4. 采用本發(fā)明方法獲得的材料使用環(huán)境溫度可以在室溫至大于1600°C的超 高溫下使用。


圖1. Hf3Al3C5的X-射線衍身寸圖譜。
圖2. HiC、 HftALA和Hf3Al3C5三相復合的X-射線衍射圖譜。 圖3. Hf3Al3C5、 Hf3Al4C6和Hf2AUC5的Z襯度相。其中，(a) Hf3Al3C5; (b) HftAlA; (c)Hf2Al4C5。
圖4. Hf3Al3C5、 Hf3Al4Q^P ffiVU4C5三相復合材料的掃描電鏡照片。 具體實駄式
下面通過實施例詳述本發(fā)明。 實施例1.
4原料采用粒度為300目左右的Hf粉100.0克、A1粉20.0克和C粉11.5克， 球磨10小時，在15MPa的壓力下冷壓成餅狀，裝入石墨模具中，在真空下(真 空度為5 X 10—2Pa的熱壓爐中以10°C/min的升溫速率升至1700°C原位反應(yīng)1小時。 獲得的主要反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)X-射線衍射分析為Hf3Al3C5。相應(yīng)的X-射線衍射圖譜列 在附圖1上。
實施例2.
原料采用粒度為200目左右的Hf粉100.0克、Al粉25.0克和C粉15.5克， 球磨20小時，在10MPa的壓力下冷壓成餅狀，裝入石墨模具中，在通有氬氣作 為保護氣的熱壓爐中以20 °C/min的升溫速率升至1900°C原位反應(yīng)熱壓4小時， 熱壓壓力為40 MPa。獲得的主要反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)X-射線衍射分析為HfC、 Hf3Al4C6 和Hf3Al3C5三相復合材料，各自的比例分別是30%， 10%和60%。相應(yīng)的X-射線 衍射圖譜列在附圖2上。
由實施例2可以看出，獲得HK:、 Hf3Al4C6和Hf3Al3C5三相復合材料，原料 按如下調(diào)節(jié)Hf: Al: C = (34): (24): (f7)。
實施例3.
原料采用粒度為400目左右的Hf粉100.00克、Al粉30.0克和C粉20.0克， 球磨15小時，在20MPa的壓力下冷壓成餅狀，^A石墨模具中，在真空下(真 空度為10—2Pa)的熱壓爐中以15 °C/min的升纟顯速率升至2100°C原位反應(yīng)熱壓0.5 小時，熱壓壓力為30MPa。獲得的主要反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)X-射線衍射分析為Hf3Al3C5、 Hf3Al4Q^Hf2Al4C5，各自的比例分別是20%， 50%和30%。。相應(yīng)的Z襯度相和 掃描電鏡照片在附圖3-4上。
由實施例3可以看出，獲得Hf3Al3Cs、 Hf3Al4C6和Hf2Al4C5三相復合材料，
原料按如下調(diào)節(jié)Hf: Al: C = (2-3): (3-5): (4-7)。
權(quán)利要求
1、一種原位反應(yīng)制備鉿鋁碳陶瓷材料的方法，其特征在于1)原料組成及成分范圍以Hf粉、Al粉和C粉為原料，按化學計量比，Hf:Al:C＝(2-3):(2-6):(4-7)；2)制備工藝原料經(jīng)過球磨5-50小時，以10-20MPa的壓力冷壓成餅狀，裝入石墨模具中，在通有惰性氣體作為保護氣或真空的熱壓爐中升至1600℃-2400℃原位反應(yīng)0.1-4小時，合成粉體陶瓷材料；或者，在原位反應(yīng)同時進行熱壓，熱壓壓力為20-40MPa，合成塊體陶瓷材料。
2、 按照權(quán)利要求1所述的原位反應(yīng)制備鉿鋁碳陶瓷材料的方法，其特征在于: 所述步驟2)中，熱壓爐的升溫速率為2-50°C/min。
3、 按照權(quán)利要求1所述的原位反應(yīng)制備鉿鋁碳陶瓷材料的方法，其特征在于: 所述步驟l)中，按化學計量比，Hf:Al:C = 3:(24):(4~6)，合成單相Hf3Al3C5。
4、 按照權(quán)利要求1所述的原位反應(yīng)制備鉿鋁碳陶瓷材料的方法，其特征在于: 所述步驟l)中，按化學計量比，Hf:Al:C = 3:(3~6):(4~7)，合成單相Hf3Al4C6。
5、 按照權(quán)禾腰求1戶腿的原位反應(yīng)制備鉿鋁碳陶瓷材料的方法，其特征在于: 所述步驟l)中，按化學計量比，Hf:Al:C = 2:(3-5):(4^6)，合成單相Hf2Al4C5。
全文摘要
本發(fā)明涉及耐超高溫陶瓷的制備技術(shù)，特別提供了一種原位反應(yīng)制備陶瓷鉿鋁碳(Hf₃Al₃C₅、Hf₃Al₄C₅、Hf₂Al₄C₆及多相復合)材料的方法，解決現(xiàn)有技術(shù)制備的鉿鋁碳陶瓷材料不實用等問題。采用一定化學計量比的Hf粉、Al粉和C粉為原料，原料經(jīng)過球磨5-50小時，以10-20MPa的壓力冷壓成餅狀，裝入石墨模具中，在通有惰性氣體(如氬氣)作為保護氣(或真空下)的熱壓爐中以2-50℃/min的升溫速率加熱至1600℃-2400℃原位反應(yīng)熱壓0.1-4小時，制備塊體材料的熱壓壓力為20-40MPa，制備粉體材料時為無熱壓。本發(fā)明可以在較低溫度下、短時間內(nèi)合成高純度、耐腐蝕等性能的鉿鋁碳陶瓷粉體或塊體材料，采用本發(fā)明方法獲得的材料可以在大于1600℃的超高溫下使用。
文檔編號C04B35/52GK101531515SQ20081001061
公開日2009年9月16日 申請日期2008年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月12日
發(fā)明者何靈峰, 包亦望, 周延春 申請人:中國科學院金屬研究所