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【粉体百科】超高温陶瓷前驱体合成及不同型面加工方法介绍


来源:中国粉体网   墨玉

[导读]  超高温陶瓷通常是指熔点超过3000℃,并在极端环境中依然保持稳定的物理和化学性质的一类特殊陶瓷材料。超高温陶瓷包括过渡金属硼化物、碳化物、氮化物及其复合材料,被认为是高超声速飞行器和大气层再入飞行器鼻锥和前缘最有前途的候选热防护材料。

中国粉体网讯  超高温陶瓷通常是指熔点超过3000℃,并在极端环境中依然保持稳定的物理和化学性质的一类特殊陶瓷材料。这里的极端环境是指高温、反应气氛(如原子氧,等离子体等)、机械载荷和磨损等组成的综合环境。超高温陶瓷包括过渡金属硼化物、碳化物、氮化物及其复合材料,被认为是高超声速飞行器和大气层再入飞行器鼻锥和前缘最有前途的候选热防护材料。



 

飞行器,来源:网络


一 超高温陶瓷前驱体合成方法介绍


超高温陶瓷前驱体作为关键基础原材料已经从溶胶凝胶路线发展到聚合物路线,从单独氧化物陶瓷发展到碳化物、氮化物和硼化物等多种陶瓷种类。


1 溶胶-凝胶路线


溶胶-凝胶路线是制备氧化锆、氧化铪纳米粉体的主要技术路线。在氧化锆溶胶中添加碳源和硼源,高温下裂解的ZrO2和C,B之间发生碳热/硼热还原反应,从而得到ZrC,ZrB2纳米粉体。碳热/硼热还原反应的引入大幅拓展了陶瓷产物的种类,可制备出难熔金属碳化物、硼化物和氮化物。


 


氧化锆粉体,来源:网络


溶胶-凝胶路线制备的前驱体的缺点是有效浓度低、稳定性差、易沉降和析出、不易储存,而且高温碳/硼热还原又产生大的失重,导致该前驱体浸渍基体总体陶瓷产率较低,使得复合材料制备工艺流程过长、成本过高,不适合制备大尺寸陶瓷基复合材料构件。


2 聚合物前驱体路线


此种路线按聚合物的类型可以分为金属有机聚合物法和金属杂化聚合物法。


金属有机聚合物法:利用化学反应合成分子中含有M-C、M-B(M=Zr,Hf,Ti等)化学键的金属有机聚合物,该聚合物裂解可以直接转化为MC或MB2陶瓷。M-C、M-B键多为离子键,稳定性差,所以此法还处于探索阶段。但是该方法可以实现对聚合物分子结构的多样化设计、具有不需要碳热或硼热还原就能得到无氧难熔金属陶瓷的优越性、以及容易实现对无氧陶瓷组成的精准控制等。


金属杂化聚合物法:利用化学反应合成以M-O为主链的聚合物,然后再与含C(酚醛)、B(硼酸)等元素的化合物复配制备超高温陶瓷前驱体。试验表明,金属杂化聚合物法制备的前驱体稳定性好、陶瓷产率高,是制备超高温陶瓷基复合材料的首选方法。


3 有机-无机杂化法


此法是将金属或其氧化物粉体、含金属的化合物分散于溶液之中,经后处理、热解制备出超高温陶瓷。由于有机-无机杂化法制备的前驱体为非均相体系,稳定性差,所得陶瓷元素分布不均匀,不适合作为陶瓷基复合材料浸渍基体使用。


二 超高温陶瓷不同型面加工方法


超高温陶瓷因其特殊的优良性质,加工难度也变大,很难实现高精度、高效率和高可靠性的加工,从而限制了其应用和发展。下面介绍几种超高温陶瓷的加工方法。


1 超高温陶瓷深孔加工


目前对于直径不大于0.5mm的孔和深孔,加工方法为磨削加工;对于孔深不

大(<5mm)的孔,可采用电火花加工方法进行加工。


2 超高温陶瓷曲面加工


目前可行的加工方法为具有多轴自由度的磨削加工,相关设备有雕刻机、数控加工中心等。


3 超高温陶瓷内外螺纹加工


目前可行的加工方法为磨削加工和电火花共轭回转加工。磨削加工成本低、速度快、效率高,但是加工过程中会对个别螺纹面造成损伤,从而影响了螺纹的质量和精度。因此电火花共轭回转加工是加工超高温陶瓷螺纹最好的方法。


 


带外螺纹的杆件


4 超高温陶瓷精密电加工


与机械加工方法相比,精密电火花加工对陶瓷材料的损伤最小,加工精度和加工效率适中,加工质量特别好,适合曲面、深孔、螺纹、槽等各种复杂型面的加工。


参考文献:

郭强强.超高温陶瓷的研究进展

邱文丰.超高温陶瓷前驱体合成研究进展

姜涛.超高温陶瓷不同型面加工方法的研究

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