硅化鈮在材料中的基礎應用

硅化鈮在材料方面的應用

背景及概述

鈮(Nb)是一種高熔點(2468℃)的難熔金屬，密度適中，耐腐蝕，抗輻射，同時高溫強度大，具有良好的高溫機械性能。鈮與鈮合金的優良特性使其成為航空、航天與核工業中高溫結構件的重要候選材料之一，可用來制造火箭發動機、核反應堆等關鍵部件。然而，其氧化性能較差，純鈮在600℃就發生“pest”氧化現象，且隨著溫度的升高，氧化程度加劇，最終導致其高溫性能的失效，這一缺點嚴重制約了鈮與鈮合金的應用。為了改善其高溫抗氧化性能，表面涂層保護是兼顧鈮與鈮合金高溫力學性能與抗氧化性能切實有效的途徑。硅化鈮(NbSi2)氧化時表面能夠形成SiO2氧化膜，該氧化膜致密且具備自愈合能力，具有良好的高溫抗氧化能力，從而使得NbSi2成為鈮與鈮合金高溫防護涂層的主要選擇。

應用

1. 合成鈮/硅化鈮復合材料. Nb/ Si 二元合金基復合材料是一種很有前途的高溫結構材料，在這種雙相復合材料之中固溶鈮提供室溫韌性而Nb5Si3 提供高溫強度，這種復合材料在高溫下具有高度的熱力學穩定性和顯微組織穩定性。日本超高溫材料研究所等單位研究了利用球磨粉末的反應熱壓法制取鈮/硅化鈮復合材料，并研究評價其顯微組織和力學性能。在本研究中，球磨過程是作為一種預處理方法，用來提高隨后的反應燒結效果。用來實驗研究的粉末采用了元素鈮粉(純度99.9 %，粒度<325 目)，半導體級硅(粒度<300 目)，按照Nb-3.5 %Si 、Nb-6 %Si、Nb-10 %Si 和Nb-16%Si(均為mo l 百分比)組成比配合后，在行星式球磨機中進行球磨，磨球(直徑10mm 的不銹鋼球)與混合粉末之重量比約為4∶1。球磨一定時間(1～110h)后的粉末，在石墨模中進行熱壓真空燒結(于40MPa 、1773K 燒結3h)。熱壓塊經過退火后研究顯微組織和力學性能的變化。

2.制備一種陶瓷鋁板。包括以下重量份數配比的原料：粘土800-1000份、鋁50-100份、碳20-30份、鎢5-8份、鈦3-5份、鎳8-10份、硅化鈮10-15份、硼化鉬15-20份、碳化鈦5-10份、氮化鈦2-5份、鉬5-8份、鋯英砂10-20份、玻璃纖維10-15份和水500-1000份。該陶瓷鋁板通過碳、鎢、鈦、鎳、硅化鈮和硼化鉬的添加，使陶瓷鋁板的耐熱性更好，而且還添加了碳化鈦、氮化鈦、鉬、鋯英砂和玻璃纖維，使陶瓷鋁板的硬度更高，不僅能夠更加有效的防止陶瓷鋁板因為磕碰而破碎，而且使陶瓷鋁板能經受更高的溫度，不會在使用的過程中因為高溫而損壞，增加了陶瓷鋁板的應用范圍，減少了陶瓷鋁板的使用成本。

3. 制備一種韌性良好的氧化鋁陶瓷材料。由以下按照重量份的原料組成：氧化鋁95-97份、輕質碳酸鈣1-2份、高嶺土1.5-3.2份、勃姆石0.7-1.8份、氮化鋯0.5-0.9份、鉻粉0.8-1.4份、硅化鈮0.3-0.6份。本發明還提供了所述韌性良好的氧化鋁陶瓷材料的制備方法。制備的韌性良好的氧化鋁陶瓷材料，具有良好的韌性和抗熱沖擊性能，并且生產成本低，有利于氧化鋁陶瓷材料進一步擴展其應用范圍，具有廣闊的市場前景。

4. 制備一種硅鍺合金基熱電元件。所述硅鍺合金基熱電元件由電極層、硅鍺合金基熱電層以及位于電極層和硅鍺合金基熱電層之間的阻擋層組成，所述阻擋層為硅化物與氮化硅的混合物，所述硅化物為硅化鉬、硅化鎢、硅化鈷、硅化鎳、硅化鈮、硅化鋯、硅化鉭、硅化鉿中的至少一種。本發明提供的硅鍺合金基熱電元件中各界面結合良好，界面處未見裂紋與明顯的擴散現象存在，接觸電阻小，熱接觸狀態好，且能夠經受長時間的高溫加速試驗。另外，提供的制備方法具有工藝簡單、可靠性高、成本低、無需特殊設備、適合規模化生產等特點。

主要參考資料

[1] CN201710792127.5 一種在鈮或鈮合金表面制備硅化鈮涂層的方法

[2] 曉敏. 球磨粉末反應熱壓法合成鈮/硅化鈮復合材料[J]. 金屬功能材料, 2000, 5: 040.

[3] CN201710903764.5一種陶瓷鋁板及其制備方法

[4] [CN201610124327.9一種韌性良好的氧化鋁陶瓷材料及其制備方法

[5] CN201310266781.4一種硬質合金拉刀

[6] CN201610209315.6一種硅鍺合金基熱電元件及其制備方法

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