CN102515717A - 一种陶瓷复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种陶瓷复合材料及其制备方法，所述材料为A₂B₂O₇-C陶瓷复合材料，A为Sc、Y、La、Nd、Eu、Gd、Dy、Er、Yb或Lu，B为Zr、Hf、Ce或Ti，C为SiO₂、SiC、MoSi₂或PMMA；C的体积分数＞0％且≤15％，粒径为1～35μm；该材料光子热导率低且高温化学性质稳定。所述方法为将纯度≥99％的ZrOCl₂·8H₂O和稀土氧化物用化学共沉淀法制得A₂B₂O₇粉体；将纯度≥99％的C掺入A₂B₂O₇粉体混合得到A₂B₂O₇-C复合粉体；将A₂B₂O₇-C复合粉体在1200～1600℃，惰性气体下烧结20～60min，得到所述材料；工艺简单，适宜工业推广。

Description

一种陶瓷复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种陶瓷复合材料及其制备方法，具体地说，涉及一种A₂B₂O₇-C陶瓷复合材料及其制备方法，属于新材料领域。

背景技术

近年来热障涂层技术广泛应用于各种高温热机，如燃气轮机或喷气机的转子或定子叶片的表面，发动机燃烧室内壁，汽油或柴油机燃烧室内壁，火箭喷管或其他一些高温燃烧器内壁。热障涂层材料要求具有高熔点、低热导率、相对高的热膨胀系数、高温相稳定以及低烧结收缩率等特点。目前广泛使用的热障涂层材料主要是7～8wt％的Y₂O₃部分稳定ZrO₂(简称YSZ)，这种热障涂层材料存在的问题是，在高于1200℃下长时间循环使用过程中，ZrO₂会发生相变，相变过程伴有一定的体积膨胀，致使热障涂层中应力产生，导致热障涂层寿命降低。

在寻找传统YSZ的替代材料过程中，具有烧绿石结构的A₂B₂O₇陶瓷材料由于具有较低的热导率、较高的使用温度以及良好的高温化学稳定性等优点，成为新型热障涂层陶瓷层候选材料。然而，众多研究表明A₂B₂O₇陶瓷材料在800℃以上时，由于光子导热作用的增强导致其热导率出现回升现象。A₂B₂O₇陶瓷材料在高温下呈现半透明状态，此时由该材料制备的热障涂层对热辐射的阻隔能力下降，且热辐射会促进热障涂层烧结，从而降低热障涂层的隔热能力，使热障涂层不能满足更高温度的使用需求。

发明内容

针对现有技术中A₂B₂O₇陶瓷材料在高温下由于光子导热作用导致其热导率升高，使该材料制备的热障涂层不能满足高温使用需求的缺陷，本发明的目的之一在于提供一种陶瓷复合材料，所述陶瓷复合材料为A₂B₂O₇-C陶瓷复合材料，具有低光子热导率、高温下化学性质稳定。

本发明的目的之二在于提供一种本发明所述陶瓷复合材料的制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种陶瓷复合材料，所述陶瓷复合材料为A₂B₂O₇-C陶瓷复合材料，其中，A为稀土元素Sc、Y、La、Nd、Eu、Gd、Dy、Er、Yb或Lu，B为Zr、Hf、Ce或Ti，C为SiO₂、SiC、MoSi₂或PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)；C在所述陶瓷复合材料中作为第二相材料存在，以陶瓷复合材料的体积分数为100％计，C的体积分数＞0％且≤15％，C的粒径为1～35μm。

所述陶瓷复合材料的热导率在1400℃下为0.7～1.4W/m·K。

所述陶瓷复合材料的组织致密度≥99.7％。

一种本发明所述的陶瓷复合材料的制备方法，所述方法步骤如下：

(1)选取纯度≥99％的ZrOCl₂·8H₂O和纯度≥99％的稀土氧化物为原料，采用化学共沉淀法制备得到A₂B₂O₇粉体；

其中，所述稀土氧化物为Sc₂O₃、Y₂O₃、La₂O₃、Nd₂O₃、Eu₂O₃、Gd₂O₃、Dy₂O₃、Er₂O₃、Yb₂O₃或Lu₂O₃。

(2)将第二相材料C掺入步骤(1)制备得到的A₂B₂O₇粉体，混合均匀制备得到A₂B₂O₇-C复合粉体；

其中，第二相材料C的纯度≥99％；优选采用球磨机进行球磨混合。

(3)将步骤(2)制备得到的A₂B₂O₇-C复合粉体在1200～1600℃，惰性气体保护下烧结20～60min；得到本说明所述的一种陶瓷复合材料。

其中，优选步骤(3)用热压烧结法对步骤(2)制备得到的A₂B₂O₇-C复合粉体进行烧结，烧结时控制升温速度≤10℃/min，在1250～1400℃，20～80Mpa，惰性气体保护下烧结20～60min。

所述化学共沉淀法为本领域制备A₂B₂O₇稀土氧化物粉体陶瓷材料的常规方法。

有益效果

1.本发明提供的一种陶瓷复合材料，在A₂B₂O₇陶瓷材料基体中添加第二相材料C，C可以稳定地存在于A₂B₂O₇陶瓷材料基体中，由于C的引入大大增强了A₂B₂O₇陶瓷材料基体中光子的散射作用，导致光子的平均自由程减小，从而使得本发明所述A₂B₂O₇-C陶瓷复合材料具有较低的光子热导率；在1400℃下，所述A₂B₂O₇-C陶瓷复合材料的热导率为1.0～1.4W/m·K，高温化学性质稳定且组织致密度≥99.7％；

2.本发明提供的一种陶瓷复合材料，选择使用的A₂B₂O₇陶瓷材料基体和第二相材料C都具有较高的熔点，且高温下两种材料不会发生化学反应，具有良好的高温化学稳定性；

3.本发明提供的一种陶瓷复合材料，可用于制备高温燃气轮机、涡轮喷气发动机等高温热机用低光子导热的热障涂层，应用领域广泛；

4.本发明提供的一种陶瓷复合材料的制备方法，所述方法工艺简单，适宜工业推广。

具体实施方式

下面通过实例对本发明作进一步详细说明。

实施例1～4制备得到的陶瓷复合材料的组织致密度采用排水法测量，热导率采用激光脉冲法测量。

实施例1～4中所述的化学共沉淀法中，根据各实施例中欲制备的A₂B₂O₇粉体配比称量原料，其余步骤同文献：刘玲，徐强，朱时珍，张红松，王富耻.(Gd_0.4Sm_0.5Yb_0.1)₂Zr₂O₇粉体的共沉淀及sol-gel合成[J].稀有金属材料与工程，2008，37(增刊2)：362-364.中的2.2。

实施例1

(1)选取纯度为99.9％的ZrOCl₂·8H₂O和纯度为99％的La₂O₃为原料，采用化学共沉淀法合成La₂Zr₂O₇粉体。

(2)将纯度为99.9％，粒径为1μm的MoSi₂以10％的体积分数掺入步骤(1)所制备的La₂Zr₂O₇粉体中，得到混合粉体；利用行星球磨机将混合粉体进行4小时的球磨混合，球料比为4∶1，球磨速度为400r/min，得到MoSi₂在La₂Zr₂O₇中均匀分布的La₂Zr₂O₇-MoSi₂复合粉体。

(3)将步骤(2)制备的La₂Zr₂O₇-MoSi₂复合粉体装入热压烧结模具，置于热压烧结炉中，升温速度为5℃/min，在1250℃施加压力80Mpa，氩气保护气氛下，热压烧结60min，然后随炉冷却，获得粒径为1μm，体积分数为10％的MoSi₂掺杂La₂Zr₂O₇基陶瓷复合材料，即La₂Zr₂O₇-MoSi₂陶瓷复合材料，所述陶瓷复合材料的组织致密度为99.78％，1400℃下的热导率为0.7W/m·K。

实施例2

(1)选取纯度为99.9％的ZrOCl₂·8H₂O和纯度为99％的Gd₂O₃为原料，采用化学共沉淀法合成Gd₂Zr₂O₇粉体。

(2)将纯度为99.9％，粒径为15μm的SiC以15％的体积分数掺入步骤(1)所制备的Gd₂Zr₂O₇粉体中，得到混合粉体；利用行星球磨机将混合粉体进行6小时的球磨混合，球料比为4∶1，球磨速度为400r/min，得到SiC在Gd₂Zr₂O₇中均匀分布的Gd₂Zr₂O₇-SiC复合粉体。

(3)将步骤(2)制备的Gd₂Zr₂O₇-SiC复合粉体装入热压烧结模具，置于热压烧结炉中，升温速度为8℃/min，在1400℃施加压力30Mpa，氩气保护气氛下，热压烧结30min，然后随炉冷却，获得粒径为15μm，体积分数为15％的SiC掺杂Gd₂Zr₂O₇基陶瓷复合材料，即Gd₂Zr₂O₇-SiC陶瓷复合材料，所述陶瓷复合材料的组织致密度为99.80％，1400℃下的热导率为1.1W/m·K。

实施例3

(1)选取纯度为99.9％的ZrOCl₂·8H₂O和纯度为99％的Dy₂O₃为原料，采用化学共沉淀法合成Dy₂Zr₂O₇粉体。

(2)将纯度为99.9％，粒径为35μm的SiO₂以2％的体积分数掺入步骤(1)所制备的Dy₂Zr₂O₇粉体中，得到混合粉体；利用行星球磨机将混合粉体进行6小时的球磨混合，球料比为4∶1，球磨速度为400r/min，得到SiO₂在Dy₂Zr₂O₇中均匀分布的Dy₂Zr₂O₇-SiO₂复合粉体。

(3)将步骤(2)制备的Dy₂Zr₂O₇-SiO₂复合粉体装入热压烧结模具，置于热压烧结炉中，升温速度为10℃/min，在1400℃施加压力20Mpa，氩气保护气氛下，热压烧结30min，然后随炉冷却，获得粒径为35μm、体积分数为2％的SiO₂掺杂Dy₂Zr₂O₇基陶瓷复合材料，即Dy₂Zr₂O₇-SiO₂陶瓷复合材料，所述陶瓷复合材料的组织致密度为99.76％，1400℃下的热导率为1.25W/m·K。

实施例4

(1)选取纯度为99.9％的ZrOCl₂·8H₂O和纯度为99％的La₂O₃为原料，采用化学共沉淀法合成La₂Zr₂O₇粉体。

(2)将纯度为99.9％，粒径为10μm的PMMA以5％的体积分数掺入步骤(1)所制备的La₂Zr₂O₇粉体中，得到混合粉体；利用行星球磨机将上述混合粉体进行4小时的球磨混合，球料比为4∶1，球磨速度为400r/min，得到PMMA在La₂Zr₂O₇中均匀分布的La₂Zr₂O₇-PMMA复合粉体。

(3)将步骤(2)制备的La₂Zr₂O₇-PMMA复合粉体装入热压烧结模具，置于热压烧结炉中，升温速度为10℃/min，在1300℃施加压力40Mpa，氩气保护气氛下，热压烧结60min，然后随炉冷却，获得粒径为10μm，体积分数为5％的PMMA掺杂La₂Zr₂O₇基陶瓷复合材料，即La₂Zr₂O₇-PMMA陶瓷复合材料，所述陶瓷复合材料的组织致密度为99.9％，1400℃下的热导率为1.4W/m·K。

本发明包括但不限于以上实施例，凡是在本发明的精神和原则之下进行的任何等同替换或局部改进，都将视为在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种陶瓷复合材料，其特征在于：所述陶瓷复合材料为A₂B₂O₇-C陶瓷复合材料，其中，A为Sc、Y、La、Nd、Eu、Gd、Dy、Er、Yb或Lu，B为Zr、Hf、Ce或Ti，C为SiO₂、SiC、MoSi₂或PMMA；以所述陶瓷复合材料的体积分数为100％计，C的体积分数＞0％且≤15％，C的粒径为1～35μm。

2.根据权利要求1所述的一种陶瓷复合材料，其特征在于：所述陶瓷复合材料的热导率在1400℃下为0.7～1.4W/m·K。

3.根据权利要求1所述的一种陶瓷复合材料，其特征在于：所述陶瓷复合材料的组织致密度≥99.7％。

4.一种如权利要求1～3任一项所述的陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于：所述方法步骤如下：

(1)选取纯度≥99％的ZrOCl₂·8H₂O和纯度≥99％的稀土氧化物为原料，采用化学共沉淀法制备得到A₂B₂O₇粉体；

(2)将C掺入所述A₂B₂O₇粉体，混合均匀制得A₂B₂O₇-C复合粉体；

(3)将所述A₂B₂O₇-C复合粉体在1200～1600℃，惰性气体保护下烧结20～60min，得到一种陶瓷复合材料；

其中，步骤(1)所述稀土氧化物为Sc₂O₃、Y₂O₃、La₂O₃、Nd₂O₃、Eu₂O₃、Gd₂O₃、Dy₂O₃、Er₂O₃、Yb₂O₃或Lu₂O₃；

步骤(2)中所述的C的纯度≥99％。

5.根据权利要求4所述的一种陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中采用球磨机进行球磨混合。

6.根据权利要求4所述的一种陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(3)中用热压烧结法对步骤(2)制得的A₂B₂O₇-C复合粉体进行烧结，烧结时控制升温速度≤10℃/min，在1250～1400℃，20～80Mpa，惰性气体保护下烧结20～60min。