一种基于硼化铪的耐高温陶瓷材料及其制备方法与流程

本发明属于陶瓷材料，具体是指一种基于硼化铪的耐高温陶瓷材料及其制备方法。

背景技术：

1、在高超音速飞行器和航天器在极端环境下服役，通常以超高温陶瓷材料作为防护材料，超高温陶瓷的熔点一般在3000℃以上，主要包括过渡金属的硼化物、碳化物和氮化物；这类非氧化物陶瓷材料的原子键类型主要为以共价键的形式存在，具有较强的抗高温变形能力，硼化物的陶瓷纤维具有耐超高温、抗氧化能力突出的优势，能够适应极端条件，硼化铪的平均熔点达到3380℃，具有高强度、高硬度、高导电性、抗热震性等优势特性，硼化铪内部具有强共价键，体积扩散速率较低，在烧结过程中难以将其进行致密化，需要通过2000℃以上的温度对硼化铪材料进行烧结，能耗较高，烧结中的致密化程度难以控制，造成硼化铪陶瓷材料性能的下降。

技术实现思路

1、针对上述情况，为克服现有技术的缺陷，本发明提供了一种基于硼化铪的耐高温陶瓷材料及其制备方法，为了解决陶瓷材料致密性差，抗氧化能力差的问题，本发明提出通过对硼化铪纤维进行掺杂改性的方式，提高了陶瓷材料的烧结性能，从而提高耐高温材料的致密性和耐高温氧化能力。

2、为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：本发明提出了一种基于硼化铪的耐高温陶瓷材料，所述耐高温陶瓷材料包括如下重量份的组分：改性硼化铪纤维70-90份、碳化锆4.5-9份、硅粉10-20份、碳粉0.5-1份。

3、优选地，所述改性硼化铪纤维的制备方法包括以下步骤：

4、s1、采用干法纺丝制备硼化铪陶瓷初生纤维；

5、s2、采用浸渍法对步骤s1所制备的硼化铪陶瓷初生纤维进行活化，得到活化硼化铪纤维；

6、s3、将步骤s2所制备的活化硼化铪纤维与聚硅氮烷溶液进行处理，得到改性硼化铪纤维

7、优选地，所述改性硼化铪纤维的制备方法，具体包括以下步骤：

8、s11、将八水合氧氯化铪、硼酸溶解于去离子水中，调节ph至2-3，得到陶瓷纤维前体溶液；

9、s12、将步骤s11所制备的陶瓷纤维前体溶液与聚乙烯醇溶液进行混合，静置过夜进行脱泡，得到陶瓷纤维纺丝溶液；

10、s13、将步骤s12所制备的陶瓷纤维纺丝溶液通过干法纺丝得到硼化铪陶瓷初生纤维；

11、s21、将步骤s13所制备的硼化铪陶瓷初生纤维浸泡于氢氧化钠溶液中，进行水浴加热，加热温度为70-80℃，浸泡时间为2-3h，自然冷却至室温后，过滤，用去离子水进行洗涤，干燥后，得到活化硼化铪纤维；

12、s31、将聚硅氮烷溶解于乙酸正丁酯中，得到聚硅氮烷溶液，将步骤s21所制备的活化硼化铪纤维浸泡于聚硅氮烷溶液中，超声处理，过滤后，去除多余溶液，置于烘箱中进行固化，固化温度为120-140℃，固化时间为30-40min，固化完成后，进行烧结，得到改性硼化铪纤维；

13、优选地，在步骤s11中，所述八水合氧氯化铪与硼酸的质量比为1-2:10；

14、优选地，在步骤s11中，所述八水合氧氯化铪在去离子水中的质量分数为0.1-0.15g/ml；

15、优选地，在步骤s11中，所述硼酸在去离子水中的质量分数为0.5-1.5g/ml；

16、优选地，在步骤s12中，将聚乙烯醇溶解于乙醇和水的混合溶液，得到聚乙烯醇溶液；所述乙醇和水的体积比为1-3:10；

17、优选地，在步骤s12中，所述聚乙烯醇溶液的质量分数为30-50%；

18、优选地，在步骤s12中，所述陶瓷纤维纺丝溶液的固含量为30-35%；

19、优选地，在步骤s13中，干法纺丝中，纺丝初始温度为50-55℃，逐级升温至160-190℃；甬道的长度6m，卷绕速度为200-210m/min；

20、优选地，在步骤s21中，所述氢氧化钠溶液的质量分数为25-35%；

21、优选地，在步骤s31中，所述聚硅氮烷溶液中聚硅氮烷的质量分数为3-7%；

22、优选地，在步骤s31中，超声处理时，超声功率为600-800w，超声时间为10-20min；

23、优选地，在步骤s31中，烧结处理中，烧结温度为1600-1800℃，升温速率为5℃/min，保温时间为2h。

24、本发明提供一种基于硼化铪的耐高温陶瓷材料的制备方法，具体包括以下步骤：

25、①将改性硼化铪纤维、碳化锆、硅粉和碳粉进行混合，加入无水乙醇，以氧化锆磨球进行湿混球磨处理，去除无水乙醇后，干燥得到陶瓷混合料；

26、②将步骤①所制备的陶瓷混合料密封于反应釜内，在氩气氛围下，进行烧结处理，得到耐高温陶瓷材料；

27、优选地，在步骤①中，球水料质量比为2:1.5:1；

28、优选地，在步骤①中，湿混球磨的时间为12h，球磨转速为60rpm；

29、优选地，在步骤②中，烧结压力为40mpa，烧结温度为1800-1900℃，升温速率为100℃/min，保温时间为10-20min。

30、本发明取得的有 益效果如下：

31、本发明提供一种基于硼化铪耐高温陶瓷材料及其制备方法，通过以聚硅氮烷对硼化铪进行改性，提高硼化铪的烧结性能，提高硼化铪陶瓷的致密性，从而提高硼化铪的耐高温和耐氧化特性；本发明将硼化铪纤维以氢氧化钠进行活化改性，在硼化铪纤维表面引入大量活性基团，通过氢键或共价结合的方式，将聚硅氮烷引入硼化铪纤维表面；聚硅氮烷在硼化铪纤维表面固化，经过高温烧结处理，实现si、c、n的原位掺杂，在高温环境下，能够在硼化铪陶瓷材料上形成粒径较小的无定型颗粒，起到填充空隙的作用，在超高温环境中有利于提高硼化铪材料的致密性，从而提高耐高温氧化性能。

技术特征：

1.一种基于硼化铪的耐高温陶瓷材料的制备方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于硼化铪的耐高温陶瓷材料的制备方法，其特征在于：在步骤①中，球水料质量比为2:1.5:1；湿混球磨的时间为12h，球磨转速为60rpm。

3.根据权利要求2所述的基于硼化铪的耐高温陶瓷材料的制备方法，其特征在于：步骤①中，所述改性硼化铪纤维的制备方法，具体包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的基于硼化铪的耐高温陶瓷材料的制备方法，其特征在于：在步骤s11中，所述八水合氧氯化铪与硼酸的质量比为1-2:10；所述八水合氧氯化铪在去离子水中的质量分数为0.1-0.15g/ml；所述硼酸在去离子水中的质量分数为0.5-1.5g/ml。

5.根据权利要求4所述的基于硼化铪的耐高温陶瓷材料的制备方法，其特征在于：在步骤s12中，将聚乙烯醇溶解于乙醇和水的混合溶液，得到聚乙烯醇溶液；所述乙醇和水的体积比为1-3:10；所述聚乙烯醇溶液的质量分数为30-50%；所述陶瓷纤维纺丝溶液的固含量为30-35%。

6.根据权利要求5所述的基于硼化铪的耐高温陶瓷材料的制备方法，其特征在于：在步骤s13中，干法纺丝中，纺丝初始温度为50-55℃，逐级升温至160-190℃；甬道的长度6m，卷绕速度为200-210m/min。

7.根据权利要求6所述的基于硼化铪的耐高温陶瓷材料的制备方法，其特征在于：在步骤s21中，所述氢氧化钠溶液的质量分数为25-35%。

8.根据权利要求7所述的基于硼化铪的耐高温陶瓷材料的制备方法，其特征在于：在步骤s31中，所述聚硅氮烷溶液中聚硅氮烷的质量分数为3-7%；超声处理时，超声功率为600-800w，超声时间为10-20min；烧结处理中，烧结温度为1600-1800℃，升温速率为5℃/min，保温时间为2h。

9.一种如权利要求1-8所述基于硼化铪的耐高温陶瓷材料的制备方法制备而得的基于硼化铪耐高温陶瓷材料。

技术总结
本发明公开了陶瓷材料领域的一种基于硼化铪的耐高温陶瓷材料及其制备方法，包括如下重量份的组分：改性硼化铪纤维70‑90份、碳化锆4.5‑13.5份、硅粉5‑15份、碳粉0.5‑1.5份。本发明提出通过对硼化铪纤维进行掺杂改性的方式，提高了陶瓷材料的烧结性能，从而提高耐高温材料的致密性和耐高温氧化能力。

技术研发人员：彭志明,彭波林,漆可欣
受保护的技术使用者：湖南华威景程材料科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15