CN101024577A - 一种耐高温、抗氧化锆铝碳陶瓷粉体的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及耐高温、抗氧化陶瓷的制备技术，特别提供了一种锆铝碳(Zr3Al3C5和Zr2Al3C4)陶瓷粉体的制备方法，其特征在于：采用一定化学计量比的Zr－Al合金粉和C粉为原料，原料经过球磨10－30小时，以10－20MPa的压力冷压成饼状，装入石墨模具中，在通有惰性气体(如氩气)作为保护气的高温炉中以2－50℃/min的升温速率加热至1200℃－1500℃反应0.1－1小时。本发明可以在较低温度下、短时间内合成高纯度、耐腐蚀和抗氧化等性能的锆铝碳陶瓷粉体；采用本发明方法获得的粉体可以用于制备锆铝碳块体材料、锆铝碳基复合材料和作为C/C复合材料的表面抗氧化涂层。
Description
技术领域
本发明涉及耐高温、抗氧化陶瓷的制备技术，特别提供了一种锆铝碳(Zr3Al3C5和Zr2Al3C4)陶瓷粉体的制备方法。
背景技术
锆铝碳(Zr3Al3C5，Zr2Al3C4)陶瓷是一种新型耐高温的三元材料。它综合了陶瓷和金属的诸多优点，既有陶瓷方面的高模量、高硬度、抗氧化、耐腐蚀等；同时又有金属材料的性能，高电导率、热导率，较强的破坏容忍性等。在航空、航天、核工业、燃料电池、电子信息、超高温结构件等高新技术领域都有广泛的应用前景。尽管锆铝碳(Zr3Al3C5，Zr2Al3C4)陶瓷材料具有如此优异性能，但制备上的困难，限制了对其性能的研究与它的应用。文献1(Key Eng.Mater.(重点工程材料)280-283(2005)1379)中U.Leela-adisom等用Al粉，C粉，ZrC粉在真空炉里加热到1500-1600℃，反应1个小时得到Zr3Al3C5粉。该方法反应温度相对较高，并且多余的单质Al在真空炉中挥发，对石墨发热体造成不利影响。迄今为止，关于还没有锆铝碳(Zr3Al3C5，Zr2Al3C4)陶瓷粉体的性能方面的报道。
发明内容
本发明首次提出了一种用合金化合物制备单相陶瓷锆铝碳(Zr3Al3C5和Zr2Al3C4)粉体材料的方法。该方法以Zr-Al合金粉和C粉为原料，利用反应生成的单质Al为助熔剂，在较低温度、短时间内合成了单相的锆铝碳(Zr3Al3C5和Zr2Al3C4)陶瓷粉体。
本发明的技术方案如下：
一种锆铝碳陶瓷粉体的制备方法，该方法特征在于：
1)原料组成及成分范围：
单相Zr3Al3C5，Zr2Al3C4的化学计量比(即摩尔比)分别为Zr∶Al∶C＝3∶(3-6)∶(4-6)以及Zr∶Al∶C＝2∶(3-5)∶(3-5)。
2)制备工艺和化学反应过程：
原料经过球磨10-20小时，以10-20MPa的压力冷压成饼状，装入石墨模具中，在通有惰性气体(如氩气)作为保护气的高温炉中以2-50℃/min(优选为5-30℃/min)的升温速率升至1200℃-1500℃(优选为1400℃-1500℃)反应0.1-1小时(优选为0.5-1小时)。然后用5-20mol％(优选为15-20mol％)盐酸洗去反应产物中过剩的单质Al。主要的化学反应过程为Zr-Al化合物在较低温度经过彼此间的化学计量调整，然后在较高温度与C迅速反应生成锆铝碳(Zr3Al3C5和Zr2Al3C4)三元化合物和单质Al.。
本发明中，Zr-Al合金粉和C粉的粒度为200-400目；采用本发明方法获得的锆铝碳陶瓷粉体的粒度在1-20微米。
相关化学反应方程式如下：
4Zr3Al2(s)+9ZrAl3(s)＝7Zr2Al3(s)+7ZrAl2(s) (1)
ZrAl2(s)+Zr2Al3(s)+5C(s)＝Zr3Al3C5(s)+2Al(l) (2)
本发明的特点是：
1.选用原料简单，分别是Zr-Al合金粉和C粉；
2.利用了反应过程中生成的单质液态Al为助熔剂，促进传质扩散过程的进行，因此可以在低温(1500℃以下)，短时间(小于1小时)合成锆铝碳陶瓷粉体；
3.采用本发明方法获得的粉体不含其它杂质，如碳化锆等，可以用于制备锆铝碳块体材料、锆铝碳基复合材料和作为C/C复合材料的表面抗氧化涂层。。
4.所获得的锆铝碳粉体比相应的二元碳化物，碳化锆粉体，具有更好的高温抗氧化能力，在高温结构材料中具有潜在的应用。
附图说明
图1反应产物Zr3Al3C5的X-射线衍射图谱。
图2反应产物Zr3Al3C5粉体的扫描电镜照片。
图3反应产物Zr2Al3C4的X-射线衍射图谱。
图4(a)-(b)粉体的氧化
曲线。其中，(a)Zr3Al3C5；(b)ZrC。
具体实施方式
下面通过实施例详述本发明。
实施例1
原料采用粒度为300目左右的ZrAl50(合金中Zr和Al的重量比为50∶50)粉30.00克、ZrAl16(合金中Zr和Al的重量比为84∶16)粉52.32克和C粉12.64克，球磨10小时，在15MPa的压力下冷压成饼状，装入石墨模具中，在通有惰性气体(氩气)作为保护气的高温炉中以10℃/min的升温速率升至1300℃原位反应0.5小时。然后用15mol％盐酸洗去反应产物中过剩的单质Al，并在室温下干燥24小时，获得的反应产物经X-射线衍射分析为Zr3Al3C5。相应的X-射线衍射图谱，扫描电镜照片，分别列在附图1-2上。
实施例2
原料采用粒度为200目左右的ZrAl50(合金中Zr和Al的重量比为50∶50)粉30.00克、ZrAl16(合金中Zr和Al的重量比为84∶16)粉28.12克和C粉8.35克，球磨20小时，在10MPa的压力下冷压成饼状，装入石墨模具中，在通有惰性气体(氩气)作为保护气的高温炉中以15℃/min的升温速率升至1500℃原位反应0.2小时。然后用5mol％盐酸洗去反应产物中过剩的单质Al，并在室温下干燥24小时，获得的反应产物经X-射线衍射分析为Zr3Al3C5。
实施例3
原料采用粒度为300目左右的ZrAl50(合金中Zr和Al的重量比为50∶50)粉30.00克、ZrAl16(合金中Zr和Al的重量比为84∶16)粉6.50克和C粉5.42克，球磨10小时，在15MPa的压力下冷压成饼状，装入石墨模具中，在通有惰性气体(氩气)作为保护气的高温炉中以15℃/min的升温速率升至1500℃原位反应0.5小时。然后用20mol％盐酸洗去反应产物中过剩的单质Al，并在室温下干燥24小时，获得的主要反应产物经X-射线衍射分析为Zr2Al3C4。相应的X-射线衍射图谱列在附图3上。
实施例4
原料采用粒度为400目左右的ZrAl50(合金中Zr和Al的重量比为50∶50)粉50.00克、ZrAl16(合金中Zr和Al的重量比为84∶16)粉10.84克和C粉9.04克，球磨30小时，在10MPa的压力下冷压成饼状，装入石墨模具中，在通有惰性气体(氩气)作为保护气的高温炉中以10℃/min的升温速率升至1400℃原位反应1小时。然后用10mol％盐酸洗去反应产物中过剩的单质Al，并在室温下干燥24小时，获得的主要反应产物经X-射线衍射分析为Zr2Al3C4。
比较例
Zr3Al3C5粉体氧化的TG-DSC曲线表明该粉体的起始氧化和终止氧化温度分别为400℃和1200℃。而市面上的ZrC粉体(300目)的起始氧化和终止氧化温度分别为300℃和800℃，说明Zr3Al3C5粉体比ZrC粉体具有更好的高温抗氧化能力。相应的氧化曲线列在附图4上。
Claims (2)
1、一种耐高温、抗氧化锆铝碳陶瓷粉体的制备方法，该方法特征在于：
1)原料组成及成分范围：
以Zr-Al合金粉和C粉为原料，合成单相Zr3Al3C5，Zr2Al3C4的化学计量比分别为Zr∶Al∶C＝3∶(3-6)∶(4-6)以及Zr∶Al∶C＝2∶(3-5)∶(3-5)；
2)制备工艺：
原料经过球磨10-30小时，以10-20MPa的压力冷压成饼状，装入石墨模具中，在通有惰性气体作为保护气的高温炉中升至1200℃-1500℃反应0.1-1小时；然后用5-20mol％盐酸洗去反应产物中过剩的单质Al。
2、按照权利要求1所述的耐高温、抗氧化锆铝碳陶瓷粉体的制备方法，该方法特征在于：所述步骤2)中，高温炉升温速率为2-50℃/min。
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