專利名稱：一種耐高溫、抗氧化鋯鋁碳陶瓷粉體的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及耐高溫、抗氧化陶瓷的制備技術(shù)，特別提供了一種鋯鋁碳(Zr3Al3C5和Zr2Al3C4)陶瓷粉體的制備方法。
背景技術(shù)：
鋯鋁碳(Zr3Al3C5，Zr2Al3C4)陶瓷是一種新型耐高溫的三元材料。它綜合了陶瓷和金屬的諸多優(yōu)點，既有陶瓷方面的高模量、高硬度、抗氧化、耐腐蝕等；同時又有金屬材料的性能，高電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率，較強的破壞容忍性等。在航空、航天、核工業(yè)、燃料電池、電子信息、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。盡管鋯鋁碳(Zr3Al3C5，Zr2Al3C4)陶瓷材料具有如此優(yōu)異性能，但制備上的困難，限制了對其性能的研究與它的應(yīng)用。文獻1(Key Eng.Mater.(重點工程材料)280-283(2005)1379)中U.Leela-adisom等用Al粉，C粉，ZrC粉在真空爐里加熱到1500-1600℃，反應(yīng)1個小時得到Zr3Al3C5粉。該方法反應(yīng)溫度相對較高，并且多余的單質(zhì)Al在真空爐中揮發(fā)，對石墨發(fā)熱體造成不利影響。迄今為止，關(guān)于還沒有鋯鋁碳(Zr3Al3C5，Zr2Al3C4)陶瓷粉體的性能方面的報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明首次提出了一種用合金化合物制備單相陶瓷鋯鋁碳(Zr3Al3C5和Zr2Al3C4)粉體材料的方法。該方法以Zr-Al合金粉和C粉為原料，利用反應(yīng)生成的單質(zhì)Al為助熔劑，在較低溫度、短時間內(nèi)合成了單相的鋯鋁碳(Zr3Al3C5和Zr2Al3C4)陶瓷粉體。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種鋯鋁碳陶瓷粉體的制備方法，該方法特征在于1)原料組成及成分范圍單相Zr3Al3C5，Zr2Al3C4的化學計量比(即摩爾比)分別為Zr∶Al∶C＝3∶(3-6)∶(4-6)以及Zr∶Al∶C＝2∶(3-5)∶(3-5)。
2)制備工藝和化學反應(yīng)過程原料經(jīng)過球磨10-20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)作為保護氣的高溫爐中以2-50℃/min(優(yōu)選為5-30℃/min)的升溫速率升至1200℃-1500℃(優(yōu)選為1400℃-1500℃)反應(yīng)0.1-1小時(優(yōu)選為0.5-1小時)。然后用5-20mol％(優(yōu)選為15-20mol％)鹽酸洗去反應(yīng)產(chǎn)物中過剩的單質(zhì)Al。主要的化學反應(yīng)過程為Zr-Al化合物在較低溫度經(jīng)過彼此間的化學計量調(diào)整，然后在較高溫度與C迅速反應(yīng)生成鋯鋁碳(Zr3Al3C5和Zr2Al3C4)三元化合物和單質(zhì)Al.。
本發(fā)明中，Zr-Al合金粉和C粉的粒度為200-400目；采用本發(fā)明方法獲得的鋯鋁碳陶瓷粉體的粒度在1-20微米。
相關(guān)化學反應(yīng)方程式如下4Zr3Al2(s)+9ZrAl3(s)＝7Zr2Al3(s)+7ZrAl2(s) (1)ZrAl2(s)+Zr2Al3(s)+5C(s)＝Zr3Al3C5(s)+2Al(l)(2)本發(fā)明的特點是1.選用原料簡單，分別是Zr-Al合金粉和C粉；2.利用了反應(yīng)過程中生成的單質(zhì)液態(tài)Al為助熔劑，促進傳質(zhì)擴散過程的進行，因此可以在低溫(1500℃以下)，短時間(小于1小時)合成鋯鋁碳陶瓷粉體；3.采用本發(fā)明方法獲得的粉體不含其它雜質(zhì)，如碳化鋯等，可以用于制備鋯鋁碳塊體材料、鋯鋁碳基復(fù)合材料和作為C/C復(fù)合材料的表面抗氧化涂層。。
4.所獲得的鋯鋁碳粉體比相應(yīng)的二元碳化物，碳化鋯粉體，具有更好的高溫抗氧化能力，在高溫結(jié)構(gòu)材料中具有潛在的應(yīng)用。


圖1反應(yīng)產(chǎn)物Zr3Al3C5的X-射線衍射圖譜。
圖2反應(yīng)產(chǎn)物Zr3Al3C5粉體的掃描電鏡照片。
圖3反應(yīng)產(chǎn)物Zr2Al3C4的X-射線衍射圖譜。
圖4(a)-(b)粉體的氧化 曲線。其中，(a)Zr3Al3C5；(b)ZrC。
具體實施例方式
下面通過實施例詳述本發(fā)明。
實施例1原料采用粒度為300目左右的ZrAl50(合金中Zr和Al的重量比為50∶50)粉30.00克、ZrAl16(合金中Zr和Al的重量比為84∶16)粉52.32克和C粉12.64克，球磨10小時，在15MPa的壓力下冷壓成餅狀，裝入石墨模具中，在通有惰性氣體(氬氣)作為保護氣的高溫爐中以10℃/min的升溫速率升至1300℃原位反應(yīng)0.5小時。然后用15mol％鹽酸洗去反應(yīng)產(chǎn)物中過剩的單質(zhì)Al，并在室溫下干燥24小時，獲得的反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)X-射線衍射分析為Zr3Al3C5。相應(yīng)的X-射線衍射圖譜，掃描電鏡照片，分別列在附圖1-2上。
實施例2原料采用粒度為200目左右的ZrAl50(合金中Zr和Al的重量比為50∶50)粉30.00克、ZrAl16(合金中Zr和Al的重量比為84∶16)粉28.12克和C粉8.35克，球磨20小時，在10MPa的壓力下冷壓成餅狀，裝入石墨模具中，在通有惰性氣體(氬氣)作為保護氣的高溫爐中以15℃/min的升溫速率升至1500℃原位反應(yīng)0.2小時。然后用5mol％鹽酸洗去反應(yīng)產(chǎn)物中過剩的單質(zhì)Al，并在室溫下干燥24小時，獲得的反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)X-射線衍射分析為Zr3Al3C5。
實施例3原料采用粒度為300目左右的ZrAl50(合金中Zr和Al的重量比為50∶50)粉30.00克、ZrAl16(合金中Zr和Al的重量比為84∶16)粉6.50克和C粉5.42克，球磨10小時，在15MPa的壓力下冷壓成餅狀，裝入石墨模具中，在通有惰性氣體(氬氣)作為保護氣的高溫爐中以15℃/min的升溫速率升至1500℃原位反應(yīng)0.5小時。然后用20mol％鹽酸洗去反應(yīng)產(chǎn)物中過剩的單質(zhì)Al，并在室溫下干燥24小時，獲得的主要反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)X-射線衍射分析為Zr2Al3C4。相應(yīng)的X-射線衍射圖譜列在附圖3上。
實施例4原料采用粒度為400目左右的ZrAl50(合金中Zr和Al的重量比為50∶50)粉50.00克、ZrAl16(合金中Zr和Al的重量比為84∶16)粉10.84克和C粉9.04克，球磨30小時，在10MPa的壓力下冷壓成餅狀，裝入石墨模具中，在通有惰性氣體(氬氣)作為保護氣的高溫爐中以10℃/min的升溫速率升至1400℃原位反應(yīng)1小時。然后用10mol％鹽酸洗去反應(yīng)產(chǎn)物中過剩的單質(zhì)Al，并在室溫下干燥24小時，獲得的主要反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)X-射線衍射分析為Zr2Al3C4。
比較例Zr3Al3C5粉體氧化的TG-DSC曲線表明該粉體的起始氧化和終止氧化溫度分別為400℃和1200℃。而市面上的ZrC粉體(300目)的起始氧化和終止氧化溫度分別為300℃和800℃，說明Zr3Al3C5粉體比ZrC粉體具有更好的高溫抗氧化能力。相應(yīng)的氧化曲線列在附圖4上。
權(quán)利要求
1.一種耐高溫、抗氧化鋯鋁碳陶瓷粉體的制備方法，該方法特征在于1)原料組成及成分范圍以Zr-Al合金粉和C粉為原料，合成單相Zr3Al3C5，Zr2Al3C4的化學計量比分別為Zr∶Al∶C＝3∶(3-6)∶(4-6)以及Zr∶Al∶C＝2∶(3-5)∶(3-5)；2)制備工藝原料經(jīng)過球磨10-30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的高溫爐中升至1200℃-1500℃反應(yīng)0.1-1小時；然后用5-20mol％鹽酸洗去反應(yīng)產(chǎn)物中過剩的單質(zhì)Al。
2.按照權(quán)利要求1所述的耐高溫、抗氧化鋯鋁碳陶瓷粉體的制備方法，該方法特征在于所述步驟2)中，高溫爐升溫速率為2-50℃/min。
全文摘要
本發(fā)明涉及耐高溫、抗氧化陶瓷的制備技術(shù)，特別提供了一種鋯鋁碳(Zr
文檔編號C04B35/645GK101024577SQ20061004588
公開日2007年8月29日 申請日期2006年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月22日
發(fā)明者周延春, 何靈峰, 包亦望 申請人:中國科學院金屬研究所