致密化高强度碳化锆和碳化铪陶瓷材料及其低温制备方法
【技术领域】
[0001]本发明提供一种致密化高强度碳化锆和碳化铪陶瓷材料及其低温制备方法，属于非氧化物基陶瓷材料制备领域。
【背景技术】
[0002]碳化锆和碳化铪具有高熔点、高硬度、低饱和蒸汽压、高温结构稳定性以及良好的抗热震性等综合性能，被认为是在高温条件下所需的最具潜力的候选结构陶瓷材料之一(K.Upadhya, J.M.Yang, and ff.P.Hoffman, “Materials for ultrahigh temperaturestructural applicat1ns,，’Am.Ceram.Soc.Bull., 76: [12] (1997) 51-56)。另夕卜，
第四代先进核反应堆(如:高温气冷堆、气冷快速反应堆)的工作温度(800-1200°C)相对于前三代核反应堆有明显提高，因此反应堆的安全性能对堆材料提出了更高的要求。碳化锆陶瓷具有较低的中子吸收截面和耐核裂变产物腐蚀的特点，有望用在第四代核反应堆中的核燃料包覆层材料和结构材料，用来抑制核裂变产物的向外扩散(K.Fukuda, K.1kawaand K.1wamoto, “Fiss1n product diffus1n in ZrC coated fuel particles,，，J.Nucl.Mater.，87:[2-3](1979)367-374)。
[0003]碳化锆和碳化铪具有键能极强的共价键，因而导致其体扩散系数较低，导致其难以烧结致密。目前制备ZrC和HfC致密陶瓷材料常用的是热压烧结方法，压力为30-40MPa，烧结温度在2200-2600°C，烧结时间为l_4h，高温烧结导致材料的晶粒发生长大(10-50 μ m)，而且晶粒内部存在较多的闭气孔，材料的力学性能(硬度、抗弯强度、断裂韧性)相对较低。
[0004]现有已报导采用MoSi2烧结助剂通过液相烧结的方式可以促进ZrC的烧结(D.Sciti, S.Guicciardi and Μ.Nygren, “Spark plasma sintering and mechanicalbehav1ur of ZrC-based composites, ” Scripta Mater., 59: [6] (2008) 638-641.)。然而MoSi2的耐高温性能较差，会对材料的高温力学性能产生不利的影响。
【发明内容】
[0005]针对现有技术存在的问题，本发明旨在提供一种低温致密化高强度碳化锆和碳化铪陶瓷材料的制备方法。对此，本发明人认识到ZrC或HfC化合物在较宽的C/Zr(或C/Hf)范围内存在=ZrCx (0.49彡X彡I)、HfCx (0.49彡x彡I)。ZrCx的烧结活化能随晶格中碳缺陷的增加而降低，因此，ZrC中添加适量的Zr可以通过与基体ZrC反应生成非化学计量ZrCx的方式促进烧结，然而所获得材料的韧性都相对较低。发明人还认识到Zr3Al3C5、SiC等第二相的添加可能不但可以提高材料的强度、韧性，而且还可以改善材料的抗氧化性能及高温综合性能。但由于ZrC或HfC中采用直接添加的方法引入Zr3Al3C5、SiC等增强相需要较高的烧结温度(>1900°C)才能获得致密的陶瓷材料。因此本发明人设计利用原位反应的方法，通过ZrC (或HfC)与Al、Si原位反应生成ZrCx、Zr3Al3C5和SiC或(HfCx、Hf3Al3C5和SiC)来降低材料的烧结温度，同时改善材料的力学性能，原位反应在基体ZrCx (或HfCx)中的引入碳缺陷也有利于改善材料的抗核辐照性能。
[0006]在此，本发明提供一种低温致密化高强度碳化锆陶瓷材料的制备方法，其特征在于:所述制备方法包括:
(O以碳化锆粉、铝粉、硅粉为原料，按照反应方程式:ZrC+yAl+ZSi=(l-y)ZrCx+zSiC+y/3Zr3Al3C5进行配料，混合均匀得混合粉体，其中，0〈y ( 0.43,0彡z彡0.51，χ=(1-ζ-1.67y)/ (1-y)；
(2)将所得混合粉体放在真空或惰性气氛中进行热压反应烧结，所述热压烧结的烧结温度为1500?1900°C，压力为20?lOOMPa。
[0007]本发明还提供一种低温致密化高强度碳化铪陶瓷材料的制备方法，其特征在于:所述方法包括:
(O以碳化铪粉、铝粉、硅粉为原料，按照反应方程式:HfC+yAl+zSi=(l-y)HfCx+zSiC+y/3Hf3Al3C5进行配料，混合均匀得混合粉体，其中，0〈y ( 0.43,0彡z彡0.51，χ=(1-ζ-1.67y)/ (1-y)；
(2)将所得混合粉体放在真空或惰性气氛中进行热压反应烧结，所述热压烧结的烧结温度为1500?1900°C，压力为20?10MPa0
[0008]本发明通过在热压反应过程中，ZrC (或HfC)与Al原位反应生成非化学计量的碳化锆(ZrCx)和Zr3Al3C5 (或非化学计量的碳化铪(HfCx)和Hf3Al3C5);ZrC (或HfC)与Si原位反应生成ZrCx和SiC (或HfCx和SiC)。非化学计量的碳化锆(或碳化铪)含有碳缺陷，可以促进材料在烧结过程中的物质扩散，具有高烧结活性，使材料的致密化温度由以单相ZrC(或HfC)为原料的传统热压烧结所需的2000-2200°C降至1500-1900°C，且烧结体的相对密度可达到97%以上。而且原位反应生成的第二相物质Zr3Al3C5 (或Hf3Al3C5)和SiC也有利于降低烧结温度同时还可以改善材料的综合力学性能，例如制得的材料的四点抗弯强度可为600-800MPa，断裂韧性可为3.5-6.5MPa.m1/2，硬度可为16_24GPa，原位反应在基体ZrCx(或HfCx)中的引入碳缺陷也有利于改善材料的抗核辐照性能。
[0009]较佳地，0.01 ^ y ^ 0.43。加入Al，可以通过原位反应可以生成非化学计量的碳化锆(ZrCx)和Zr3Al3C5 (或非化学计量的碳化铪(HfCx)和Hf3Al3C5),非化学计量碳化锆的形成有利于降低材料的烧结温度，第二相物质Zr3Al3C5 (或Hf3Al3C5)尤其有利于改善材料的力学性能。
[0010]较佳地，z=0。即、可以不用加入硅粉，而仅仅加入Al，借助原位反应生成第二相物质Zr3Al3C5 (或Hf3Al3C5)就可降低烧结温度并改善材料的综合力学性能。
[0011 ] 较佳地，所述碳化锆粉、碳化铪粉各自的纯度为>98%，粒径为0.5?5 μ m。
[0012]较佳地，所述铝粉和/或硅粉的纯度为>98%，粒径为0.5?5 μ m。
[0013]较佳地，在步骤(I)中，以丙酮或乙醇为溶剂，以50?200转/分钟的速度，用辊式混料机进行混合所述原料8?24小时制成浆料，所得浆料通过旋转蒸发烘干后得到所述混合粉体。
[0014]较佳地,在步骤(2)中，以10?100°C /min升温至所述烧结温度,保温0.1?2小时。
[0015]本发明还提供一种上述方法制备的致密化高强度碳化锆陶瓷材料，其中，按重量计，所述碳化锆陶瓷材料含有O?30wt%的Zr3Al3C5和O?10wt%SiC。
[0016]本发明还提供一种上述方法制备的致密化高强度碳化铪陶瓷材料，其中，按重量计，所述碳化锆陶瓷材料含有O?30wt%的Hf3Al3C5和O?10wt%SiC。
[0017]本发明的陶瓷材料相对密度大于97%，弯曲强度在550?800MPa，断裂韧性在3.0?6.5MPa.m1/2，硬度在16?24Gpa，可以在高温(>1600°C )及核反应堆的辐照环境下使用。
【附图说明】
[0018]图1示出在ZrC中加入5.5wt%Al在1800°C烧结2h的材料XRD图谱；
图2示出在ZrC中加入5.5wt%Al在1800°C烧结2h的材料抛光面形貌，陶瓷的相对密度为98% ；
图3示出ZrC中加入5.5wt%Al、1.8wt%Si在1600°C烧结Ih的材料抛光面形貌，陶瓷的相对密度为98%。
【具体实施方式】
[0019]以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图及下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
[0020]本发明提供一种低温致密化高强度碳化锆或碳化铪陶瓷材料的制备方法，采用ZrC (或HfC)、Al粉、Si粉为原料，通过热压反应烧结，利用烧结过程中原料之间发生原位反应而生成高活性的产物非化学计量的ZrCx和SiC (或非化学计量的HfCx和SiC)以及具有板状晶粒形貌的产物Zr3Al3C5 (或Hf3Al3C5)降低烧结温度，以在1500_1900°C的温度下，通过反应烧结获得致密的碳化锆及碳化铪陶瓷材料，从而解决碳化锆和碳化铪陶瓷材料烧结困难、力学性能差的问题。
[0021]具体实施方法:
(1)原料:以ZrC 粉(0.5-5 μ m，纯度 >98%)或 HfC 粉(0.5-5 μ m,纯度 >98%)、铝粉(0.5-5 μ m，纯度>98%)、硅粉(0.5-5 μ m,纯度>98%)为起始原料。按照生成ZrCx-Zr3Al3C5-SiC 的反应方程式 ZrC+yAl+zSi= (1-y) ZrCx+zSiC+y/3Zr3Al3C5,其中 y、z取值须满足:0〈y ( 0.43,0彡z彡0.51，优选地，0.01 ^ y ^ 0.43，其中z可以为0，即可以不用添加Si ;或按照生成HfCx-Hf3Al3C5-SiC的反应方程式HfC+yAl+zSi=(l-y)HfCx+zSiC+y/3Hf3Al3C5, x=(l-z-l.67y)/(l-y)，其中 y、z 取值须满足:0 彡 y 彡 0.43、O彡ζ彡0.51，优选地，0.01 ^ y ^ 0.43，其中z可以为0，即可以不用添加Si。选择不同的y、z值配料，以丙酮或乙醇为溶剂、以50-200转/分钟的速度辊式混料8-24h，所得浆料通过旋转蒸发烘干后得到混合均匀的混合粉料；
(2)烧结:将混合均匀的粉体放在内壁表面涂覆BN的石墨模具中，在真空或惰性气氛(例如氩气气氛)中进行反应烧结，烧结时升温速率可为10-100°C /min，升温至保温温度(1500-1900°C)，施加 20-100MPa 的压力，保温保压 0.l_2h。
[0022]本发明采用上述方法制备的碳化锆或碳化铪陶瓷材料可在较低温度下(1500-1900°C )实现相对密度大于97%。所得材料的室温材料的弯曲强度在550_800MPa，断裂韧性在 3.0-6.5MPa.m1/2，硬度在 16_24GPa。
[0023]本发明的优点在于:虽然Al和Si熔点较低(分别为660°C和1410°C )，但Al、Si与ZrC (或HfC)发生原位反应可生成的非化学计量的碳化锆(ZrCx)、Zr3Al3C5和SiC (或HfCx、Hf3Al3C5和SiC)等产物具有高熔点；基体ZrCx (或HfCx)中的碳缺陷可以促进材料在烧结过程中的物质扩散，降低材料的烧结温度；原位反应的第二相Zr3Al3C5 (或Hf3Al3C5)具有板状的晶粒形貌、SiC具有与基体较大的热膨胀系数差异，从而改善ZrC (或HfC)材料的常温、高温综合力学性能及抗氧化性能，另外，原位反应在基体ZrCx (或HfCx)中的引入碳缺陷也有利于改善材料的抗核辐照性能。采用本发明方法获得的材料可以在高温(>1600°C)及核反应堆的辐照环境下使用。
[0024]以下列出几个示例以进一步说明本发明，应理解仅下述实施例仅用于说明本发明，而非限制本发明。
[0025]实施例1
以 ZrC 粉(0.5-5 μ m, 98%)、铝粉(0.5-5 μ m, 98%)、硅粉(0.5-5 μ m, 98%)为原料。设计ZrCx-Zr3Al3C5-SiC中Zr3Al3C5含量为5wt%, SiC含量为0，即取反应方程式ZrC+yAl+zSi=(l-y)ZrCx+zSiC+y/3Zr3Al3C5 中的 y=0.038、z=0 配料，以丙酮为溶剂，以 100转/分钟的速度，用辊式混料机进行混合，所得浆料通过旋转蒸发烘干后得到混合均匀的粉料。将混合均匀的粉体放在内壁表面涂覆BN的石墨模具中，在Ar中进行反应烧结，烧结时升温速率为10°C /min，升温至1300°C开始施加40MPa的压力，在1800