本發(fā)明專利技術(shù)涉及一種具有納米孔結(jié)構(gòu)的過渡金屬碳化物陶瓷及其制備方法，所述具有納米孔結(jié)構(gòu)的過渡金屬碳化物陶瓷形成為納米孔均勻分布于過渡金屬碳化物陶瓷基體中的結(jié)構(gòu)，相對密度為80%～99%，孔隙率為20%～1%；所述納米孔為開氣孔，孔徑為10nm～1000nm。本發(fā)明專利技術(shù)首次通過過渡金屬氮化物和碳源反應(yīng)無壓燒結(jié)的方法制備了具有納米孔結(jié)構(gòu)的過渡金屬碳化物陶瓷。本發(fā)明專利技術(shù)利用原材料粉體發(fā)生原位合成反應(yīng)，并釋放出氣體，從而實(shí)現(xiàn)了開氣孔的通道的保留，導(dǎo)致最終合成并燒結(jié)的過渡金屬碳化物基體中存在納米孔結(jié)構(gòu)。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及一種，具體涉及通過過渡金屬氮化物和碳源反應(yīng)，無壓燒結(jié)制備，獲得孔隙率和孔徑均可調(diào)節(jié)且納米孔均勻分布于陶瓷基體中的過渡金屬碳化物陶瓷，屬于多孔陶瓷材料制備領(lǐng)域。
技術(shù)介紹
過渡金屬碳化物(碳化鈦、碳化鋯、碳化鉿、碳化釩、碳化鈮、碳化鉭、碳化鉻、碳化鑰、碳化鎢)以其極高的熔點(diǎn)、超高的硬度、優(yōu)異的抗腐蝕能力、良好的熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率成為超高溫陶瓷、硬質(zhì)合金、電極材料以及強(qiáng)腐蝕環(huán)境中的重要候選材料，在工業(yè)領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用市場。此外，碳化鈦、碳化鋯等材料由于具有較低的中子吸收截面，被認(rèn)為是第四代核能系統(tǒng)(Gen-1V)中快堆和加速器驅(qū)動(dòng)次臨界清潔能源系統(tǒng)(ADS)中惰性基體燃料的最佳候選材料之一。作為Gen-1V系統(tǒng)關(guān)鍵材料，必須具備承受極端苛刻的中子輻照侵蝕(高達(dá)200dpa)的能力。盡管TiC、ZrC等碳化物陶瓷材料比絕大多數(shù)材料的抗輻照性能優(yōu)異，但依然不能避免中子損傷，尤其是輻照過程中產(chǎn)生大量的裂變氣體He和H2，這些氣體將聚集于材料晶界處形成氦泡等，最終導(dǎo)致材料的腫脹和脆變破壞。美國愛德華國家實(shí)驗(yàn)室的Gan等人采用Kr離子源在800°C下輻照平均晶粒尺寸為24 μ m的ZrC (美國CERCOM公司),結(jié)果顯示:ZrC在福照劑量達(dá)至Li 70dpa時(shí)發(fā)生了 7vol%的腫脹[J.Gan, M.K.Meyer, etal., pp.358-364.1n Effects ofRadiation on Materials:22nd Symposium，Vol.1475.Edited by T.R.Alien，R.G.Lott, J.T.Busby, andA.S.Kumar, 2006]。因此，必須設(shè)法避免應(yīng)用于核能系統(tǒng)中的碳化物陶瓷材料的輻照損傷。目前材料設(shè)計(jì)多停留在模擬計(jì)算階段 ，研究發(fā)現(xiàn)具有納米孔結(jié)構(gòu)的材料有利于裂變氣體的有效逸出，避免裂變氣體在晶界處大量聚集，造成材料腫脹和脆變破壞。然而，絕大多數(shù)多孔材料的研究停留在泡沫法和模板法階段，而且孔徑大多為微米孔級(jí)別，這對于過渡金屬碳化物陶瓷材料來說，嚴(yán)重降低了其本征具有的高強(qiáng)度、高硬度以及高熱導(dǎo)率等性能，無法應(yīng)用于對力學(xué)和熱學(xué)性能要求嚴(yán)格的先進(jìn)核能系統(tǒng)中。目前對于過渡金屬碳化物(MC)，常規(guī)的MC商業(yè)粉體的制備方法主要采用以過渡金屬氧化物(M02)、石墨原料的碳熱還原法和以過渡金屬(M)和石墨為原料的直接反應(yīng)法。由于MO2與石墨混合不均勻，團(tuán)聚的MO2原料于反應(yīng)完成之前已經(jīng)在高溫(1300-1500°C)下快速生長，導(dǎo)致最終所得MC粉體顆粒尺寸較大；金屬M(fèi)原料的粒徑較大且易發(fā)生氧化，導(dǎo)致產(chǎn)物MC團(tuán)聚嚴(yán)重、氧雜質(zhì)含量較高。總地來說，商業(yè)MC粉體粒徑一般在幾微米至幾十微米，采用該類粉體為原料，一般需要較高的燒結(jié)溫度并由此導(dǎo)致材料晶粒的異常生長。另外，過渡金屬碳化物由于具有極強(qiáng)的共價(jià)鍵，導(dǎo)致燒結(jié)過程中物質(zhì)傳輸速度很慢，而且常規(guī)的商業(yè)粉體均含有氧化物雜質(zhì)，研究發(fā)現(xiàn)，這些氧化物雜質(zhì)在碳化物顆粒表面形成氧化物薄膜，大大降低了碳化物粉體的表面能和燒結(jié)活性，致使過渡金屬碳化物陶瓷燒結(jié)陷入低溫難以燒結(jié)、高溫過燒的兩難境地。因此，要制備具有納米孔結(jié)構(gòu)的過渡金屬碳化物陶瓷材料難上加難，急需轉(zhuǎn)變思路，尋找更加合適的途徑，研究制備適用于過渡金屬碳化物陶瓷的方法來實(shí)現(xiàn)納米孔結(jié)構(gòu)的控制。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
針對上述問題，本專利技術(shù)的目的在于提供一種。在此，一方面，本專利技術(shù)提供一種具有納米孔結(jié)構(gòu)的過渡金屬碳化物陶瓷，所述過渡金屬碳化物陶瓷形成為納米孔均勻分布于過渡金屬碳化物陶瓷基體中的結(jié)構(gòu)，相對密度為80% 99%，孔隙率為1 % 20% ;所述納米孔為開氣孔，孔徑為IOnm lOOOnm。 所述過渡金屬碳化物陶瓷的相對密度優(yōu)選為90% 95%。該納米孔結(jié)構(gòu)的過渡金屬碳化物陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)中，納米孔均勻分布于過渡金屬碳化物陶瓷基體中。其中孔隙率優(yōu)選為5% 10%。又，所述納米孔的孔徑優(yōu)選為10 500nmo在本專利技術(shù)中，所述過渡金屬碳化物包括碳化鈦、碳化鋯、碳化鉿、碳化釩、碳化鈮、碳化鉭、碳化鉻、碳化鑰、和碳化鎢。本專利技術(shù)的具有納米孔結(jié)構(gòu)的過渡金屬碳化物陶瓷與普通過渡金屬碳化物陶瓷相t匕，具有較好的力學(xué)性能和熱學(xué)性能。另一方面，本專利技術(shù)還提供所述具有納米孔結(jié)構(gòu)的過渡金屬碳化物陶瓷的制備方法，包括:以過渡金屬氮化物粉體和碳源粉體為原料，將制得的陶瓷坯體采用兩步無壓燒結(jié)處理制得所述具有納米孔結(jié)構(gòu)的過渡金屬碳化物陶瓷。在本專利技術(shù)中，所述過渡金屬氮化物粉體為氮化鈦、氮化鋯、氮化鉿、氮化釩、氮化鈮、氮化鉭、氮化鉻、氮化鑰和氮化鎢中的任意一種。所述碳源可以為碳黑或石墨。本專利技術(shù)的方法制得的過渡金屬碳化物陶瓷孔隙率和孔徑的調(diào)節(jié)方式可以通過改變原料粒徑和組分配比等。優(yōu)選地所述過渡金屬氮化物粉體的純度為大于95%，粒徑為0.1 50 μ m。又，所述碳源粉體的純度優(yōu)選大于95%，粒徑優(yōu)選為0.1 100 μ m。所述過渡金屬氮化物與所述碳源的摩爾比優(yōu)選為1: (0.8 1.5)。原料粉體均勻混合后經(jīng)過干燥和成型工藝制得陶瓷坯體。在本專利技術(shù)的制備方法中較佳地通過干壓或等靜壓等方式使陶瓷坯體初始密度達(dá)到50%以上，然后再將其進(jìn)行兩步無壓燒結(jié)處理以制備所述具有納米孔結(jié)構(gòu)的過渡金屬碳化物陶瓷。燒結(jié)過程中，采用兩步法無壓燒結(jié)，這樣可以先保證過渡金屬氮化物和碳源在反應(yīng)溫度充分反應(yīng)，然后升高溫度至一定溫度燒結(jié)形成具有納米孔結(jié)構(gòu)的過渡金屬碳化物陶瓷。所述兩步無壓燒結(jié)處理的第一步反應(yīng)優(yōu)選為在1400°C 1800°C下保溫0.5 1.5小時(shí)，第二步反應(yīng)優(yōu)選為在2000°C 2400°C下保溫時(shí)間為0.5 3小時(shí)。又，優(yōu)選以10 IOO0C /min的升溫速率升溫。此外，在所述兩步無壓燒結(jié)處理過程中，燒結(jié)氣氛優(yōu)選為真空或者惰性氣氛。本專利技術(shù)首次通過過渡金屬氮化物和碳源反應(yīng)無壓燒結(jié)的方法制備了具有納米孔結(jié)構(gòu)的過渡金屬碳化物陶瓷。本專利技術(shù)利用原材料粉體發(fā)生原位合成反應(yīng)，并釋放出氣體，從而實(shí)現(xiàn)了開氣孔的通道的保留，導(dǎo)致最終合成并燒結(jié)的過渡金屬碳化物基體中存在納米孔結(jié)構(gòu)。所述過渡金屬碳化物陶瓷的孔隙率和孔徑可以通過改變原料粒徑、原料組分配比、反應(yīng)溫度、反應(yīng)保溫時(shí)間、燒結(jié)溫度、燒結(jié)保溫時(shí)間、和/或燒結(jié)氣氛等工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)；均勻分布的所述納米孔不會(huì)大幅度降低陶瓷的力學(xué)性能和熱學(xué)性能。本專利技術(shù)的制備工藝簡單、實(shí)用，可操控性強(qiáng)，容易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀的規(guī)模化生產(chǎn)。附圖說明圖1是實(shí)施例1兩步法反應(yīng)燒結(jié)第一步反應(yīng)階段制得的碳化鈦陶瓷的XRD 圖2是實(shí)施例1兩步法反應(yīng)燒結(jié)第二步結(jié)束后最終制得的具有納米孔結(jié)構(gòu)的碳化鈦陶瓷的SEM圖。具體實(shí)施例方式以下結(jié)合下述實(shí)施方式進(jìn)一步說明本專利技術(shù)，應(yīng)理解，下述實(shí)施方式僅用于說明本專利技術(shù)，而非限制本專利技術(shù)。本專利技術(shù)通過采用過渡金屬氮化物(氮化鈦、氮化鋯、氮化鉿、氮化釩、氮化鈮、氮化鉭、氮化鉻、氮化鑰、氮化鎢等)粉體和碳源粉體為原料，首先按照一定比例均勻混合原料粉體，然后經(jīng)過干燥成型工藝使其成為具有一定密度的坯體，最后經(jīng)過兩步法反應(yīng)、無壓燒結(jié)制備，最終獲得具有納米孔結(jié)構(gòu)的過渡金屬碳化物陶瓷材料，其孔隙率可以調(diào)節(jié)控制在1% 20%，孔徑可以控制在IOnm lOOOnm。更具體地，作為示例，本專利技術(shù)可以包括以下步驟: a)原料制備:以過渡 本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種具有納米孔結(jié)構(gòu)的過渡金屬碳化物陶瓷，其特征在于，所述具有納米孔結(jié)構(gòu)的過渡金屬碳化物陶瓷形成為納米孔均勻分布于過渡金屬碳化物陶瓷基體中的結(jié)構(gòu)，相對密度為80%～99%，孔隙率為20%～1%；所述納米孔為開氣孔，孔徑為10nm～1000nm。
【技術(shù)特征摘要】
1.一種具有納米孔結(jié)構(gòu)的過渡金屬碳化物陶瓷，其特征在于，所述具有納米孔結(jié)構(gòu)的過渡金屬碳化物陶瓷形成為納米孔均勻分布于過渡金屬碳化物陶瓷基體中的結(jié)構(gòu)，相對密度為80% 99%，孔隙率為20% 1% ;所述納米孔為開氣孔，孔徑為IOnm lOOOnm。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有納米孔結(jié)構(gòu)的過渡金屬碳化物陶瓷，其特征在于，所述過渡金屬碳化物包括碳化鈦、碳化鋯、碳化鉿、碳化釩、碳化鈮、碳化鉭、碳化鉻、碳化鑰、和碳化鶴。3.—種權(quán)利要求1或2所述的具有納米孔結(jié)構(gòu)的過渡金屬碳化物陶瓷的制備方法，其特征在于，包括:以過渡金屬氮化物粉體和碳源粉體為原料，將制得的陶瓷坯體采用兩步無壓燒結(jié)處理制得所述具有納米孔結(jié)構(gòu)的過渡金屬碳化物陶瓷。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，所述過渡金屬氮化物粉體為氮化鈦、氮化鋯、氮化鉿、氮化釩、氮化鈮、氮化鉭、氮化鉻、氮化鑰和氮化鎢中的任意一種；所述碳源為碳黑或石墨。5.根據(jù)權(quán)利要求3或4...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：薛佳祥，張國軍，劉海濤，徐常明，
申請(專利權(quán))人：中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所，
類型：發(fā)明
國別省市：
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