专利名称：一种原位反应制备铪铝碳陶瓷材料的方法
技术领域：
本发明涉及耐超高温陶瓷的帝恪技术，特别提供了一种原位反应制备铪铝碳
(Hf3Al3C5、 Hf3Al4C6、 Hf2AUC5及多相复合)陶瓷材料的方法。
背景技术：
铪铝碳(Hf3Al3C5、 Hf3AUC6、 Hf2Al4C5及多相复合)陶瓷材料是新型的耐超 高温、抗氧化的三元材料。它们综合了高模量、高硬度、抗氧化、耐腐蚀、高电 导率、热导率、较强的破坏容忍性等优点。在航空、航天、核工业、超高温结构
件等高新技术领域都有广泛的应用前景。尽管铪铝碳(Hf3Al3C5、Hf3Al4C6、Hf2Al4C5
及多相复合)陶瓷材料具有如此优异的性能，制备上的困难限制了对其性能的研 究与它的应用。迄今为止关于铪铝碳(Hf3Al3C5、 Hf3Al4C6、 Hf2ALA及多相复合) 陶瓷材料制备方面的文献报道只有一篇。文献1 (Z. Metallkd.(德国金属学报)71 (1980) 341)中采用Hf粉、度粉、Hf-Al合金粉、AUC3粉和C粉，在1000°C熔 炼170 h或700°C熔炼850 h合成了含有Hf3Al3C5和Hf2Al3C4的混合物。这禾中合 成方法制备的材料纯度很低，并含有多种低熔点相，如Hf-Al金属间化合物和 Hf5Al3C。这种方法主要是为绘制相图所用，对制备高性能的铪铝碳(Hf3Al3C5、 Hf3Al4C6、Hf2Al4C5及多相复合)陶瓷材料不实用，而且用该方法未发现有Hf3Al4C6 和Hf2MC5相。迄今为止，关于铪铝碳陶瓷材料制备方面附艮邀艮少。
发明内容
本发明的目的在于提出了一种原位反应制备铪铝碳(Hf3Al3C5、 Hf3Al4C6、 Hf2ALA及多相复合)超高温陶瓷材料的方法。该方法以Hf粉、Al粉和C粉为 原料，在较低温度，短时间内合成了铪铝碳(Hf3Al3C5、 Hf3Al4C6、 Hf2AUC5及多 相复合)陶瓷材料，解决现有技术制备的铪铝碳陶瓷材料不实用等问题。
本发明的技术方案如下
一种原位反应制备铪铝碳陶瓷材料的方法，该方法特征在于
1) 原料组成及成分范围以Hf粉、Al粉和C粉为原料，按化学计量比，Hf: Al: C = (2-3): (2~6): (f 7); 按化学计量比，Hf:Al:C = 3:(2"4):(4^6)，合成单相Hf3Al3C5; 按化学计量比，Hf:Al:C = 3:(3~6):(^"7)，合成单相HftAUC" 按化学计量比，Hf:Al:C = 2:(3-5):(4^6)，合成单相Hf2Al4C5;
合成Hf3Al3Cs、 Hf3AUC6与Hf2Al4C5多相复合材料时，化学计量比在以上比
例之间调节。
2) 制备工艺
原料经过球磨5-50小时，以10~20 MPa的压力常温下冷压成饼状，駄石 墨模具中，在通有惰性气体(如氩气)作为保护气(或真空下，真空度高于10—]Pa) 的热压炉中以2-50。C/min (优选为5-30°C/min)的升温速率升至1600°C-2400°C 原位反应0.14小时(雌为0.5-2小时)，合成粉体陶瓷材料；或者，在原位反 应同时进行热压，热压压力为2(M0MPa (优选为30MPa)，合成i央体陶瓷材料。
本发明中，Hf粉、Al粉和C粉的粒度为200-400目；采用本发明方法获得 的给铝碳陶瓷±央体材料大小在0 (25-100) mmX (2-50) mm。
本发明的特点是
1. 本发明选用原料简单，分别是Hf粉、A1粉和C粉。
2. 本发明在合成的材料中首次发现了 Hf3AUC6和Hf2Al4C5两个新化合物。
3. 本发明通过原位反应热压，烧结与致密化同时进行，获得铪铝碳(班3八13(:5、 Hf3Al4C6、 Hf2MC5及多相复合)块体材料，还可以由无热压制备相应的粉体材料。
4. 采用本发明方法获得的材料使用环境温度可以在室温至大于1600°C的超 高温下使用。
图1. Hf3Al3C5的X-射线衍身寸图谱。
图2. HiC、 HftALA和Hf3Al3C5三相复合的X-射线衍射图谱。 图3. Hf3Al3C5、 Hf3Al4C6和Hf2AUC5的Z衬度相。其中，(a) Hf3Al3C5; (b) HftAlA; (c)Hf2Al4C5。
图4. Hf3Al3C5、 Hf3Al4Q^P ffiVU4C5三相复合材料的扫描电镜照片。 具体实駄式
下面通过实施例详述本发明。 实施例1.
4原料采用粒度为300目左右的Hf粉100.0克、A1粉20.0克和C粉11.5克， 球磨10小时，在15MPa的压力下冷压成饼状，装入石墨模具中，在真空下(真 空度为5 X 10—2Pa的热压炉中以10°C/min的升温速率升至1700°C原位反应1小时。 获得的主要反应产物经X-射线衍射分析为Hf3Al3C5。相应的X-射线衍射图谱列 在附图1上。
实施例2.
原料采用粒度为200目左右的Hf粉100.0克、Al粉25.0克和C粉15.5克， 球磨20小时，在10MPa的压力下冷压成饼状，装入石墨模具中，在通有氩气作 为保护气的热压炉中以20 °C/min的升温速率升至1900°C原位反应热压4小时， 热压压力为40 MPa。获得的主要反应产物经X-射线衍射分析为HfC、 Hf3Al4C6 和Hf3Al3C5三相复合材料，各自的比例分别是30%， 10%和60%。相应的X-射线 衍射图谱列在附图2上。
由实施例2可以看出，获得HK:、 Hf3Al4C6和Hf3Al3C5三相复合材料，原料 按如下调节Hf: Al: C = (34): (24): (f7)。
实施例3.
原料采用粒度为400目左右的Hf粉100.00克、Al粉30.0克和C粉20.0克， 球磨15小时，在20MPa的压力下冷压成饼状，^A石墨模具中，在真空下(真 空度为10—2Pa)的热压炉中以15 °C/min的升纟显速率升至2100°C原位反应热压0.5 小时，热压压力为30MPa。获得的主要反应产物经X-射线衍射分析为Hf3Al3C5、 Hf3Al4Q^Hf2Al4C5，各自的比例分别是20%， 50%和30%。。相应的Z衬度相和 扫描电镜照片在附图3-4上。
由实施例3可以看出，获得Hf3Al3Cs、 Hf3Al4C6和Hf2Al4C5三相复合材料，
原料按如下调节Hf: Al: C = (2-3): (3-5): (4-7)。
权利要求
1、一种原位反应制备铪铝碳陶瓷材料的方法，其特征在于1)原料组成及成分范围以Hf粉、Al粉和C粉为原料，按化学计量比，Hf:Al:C＝(2-3):(2-6):(4-7)；2)制备工艺原料经过球磨5-50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或真空的热压炉中升至1600℃-2400℃原位反应0.1-4小时，合成粉体陶瓷材料；或者，在原位反应同时进行热压，热压压力为20-40MPa，合成块体陶瓷材料。
2、 按照权利要求1所述的原位反应制备铪铝碳陶瓷材料的方法，其特征在于: 所述步骤2)中，热压炉的升温速率为2-50°C/min。
3、 按照权利要求1所述的原位反应制备铪铝碳陶瓷材料的方法，其特征在于: 所述步骤l)中，按化学计量比，Hf:Al:C = 3:(24):(4~6)，合成单相Hf3Al3C5。
4、 按照权利要求1所述的原位反应制备铪铝碳陶瓷材料的方法，其特征在于: 所述步骤l)中，按化学计量比，Hf:Al:C = 3:(3~6):(4~7)，合成单相Hf3Al4C6。
5、 按照权禾腰求1戶腿的原位反应制备铪铝碳陶瓷材料的方法，其特征在于: 所述步骤l)中，按化学计量比，Hf:Al:C = 2:(3-5):(4^6)，合成单相Hf2Al4C5。
全文摘要
本发明涉及耐超高温陶瓷的制备技术，特别提供了一种原位反应制备陶瓷铪铝碳(Hf<sub>3</sub>Al<sub>3</sub>C<sub>5</sub>、Hf<sub>3</sub>Al<sub>4</sub>C<sub>5</sub>、Hf<sub>2</sub>Al<sub>4</sub>C<sub>6</sub>及多相复合)材料的方法，解决现有技术制备的铪铝碳陶瓷材料不实用等问题。采用一定化学计量比的Hf粉、Al粉和C粉为原料，原料经过球磨5-50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(或真空下)的热压炉中以2-50℃/min的升温速率加热至1600℃-2400℃原位反应热压0.1-4小时，制备块体材料的热压压力为20-40MPa，制备粉体材料时为无热压。本发明可以在较低温度下、短时间内合成高纯度、耐腐蚀等性能的铪铝碳陶瓷粉体或块体材料，采用本发明方法获得的材料可以在大于1600℃的超高温下使用。
文档编号C04B35/52GK101531515SQ20081001061
公开日2009年9月16日 申请日期2008年3月12日 优先权日2008年3月12日
发明者何灵峰, 包亦望, 周延春 申请人:中国科学院金属研究所