CN104193384A - 一种氧化锆基多孔复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种氧化锆基多孔复合材料及其制备方法，所述氧化锆基多孔复合材料包含由La₂O₃、Y₂O₃和ZrO₂构成的氧化锆基体、以及埋覆于氧化锆基体中的增强体纤维，其中，在氧化锆基体中，将La₂O₃、Y₂O₃以及ZrO₂的摩尔比之和作为100mol%，La₂O₃占1-10mol%，Y₂O₃占0.5-5mol%，其余为ZrO₂；增强体纤维占所述氧化锆基多孔复合材料的10-45wt%。

Description

一种氧化锆基多孔复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于高温热防护材料领域，具体涉及一种氧化锆基多孔复合材料及其制备方法。

背景技术

航天飞行器或巡航导弹在飞行过程中要经受严重的热、振动、噪声和冲击等复杂环境的影响，其中最苛刻的飞行条件是从轨道上以高超音速再入大气层时强烈的气动加热。飞行器以8马赫数的速度在27km高度飞行时头锥处的温度为1793℃，机翼或尾翼前缘的温度高达1455℃[NASA Facts,National Aeronautics and Space Administration,John F.KennedySpace Center,Orbiter Thermal Protection System,FS-2000-06-29-KSC,1997.]。随着航天、航空飞行器飞行速度不断提高,服役环境越来越恶劣,对热防护材料的要求愈加苛刻。新型飞行器热防护系统期望材料具有轻质、隔热、耐高温并兼有一定承载能力的特性，这类用于飞行器上的防/隔热复合材料已成为目前研究的热点和重点。经过多年的研制和改进，陶瓷瓦高效隔热复合材料已形成了LI(Lockheed Insulation)、FRCI(Fibrous Refractory InsulationComposite)、AETB(Alumina Enhanced Thermal Barrier)以及BRI(Boeing ResuableInsulation)等系列材料[C.John,I.Francesco,Thermal protection system of the space shuttle[R].ADA308170,1989.],典型的陶瓷隔热瓦AETB-12体积密度0.192g/cm³，热导率约为0.064W/(m·K)，压缩强度0.90～1.83MPa，使用温度可达1700～1870K。然而陶瓷瓦隔热材料却具有脆性大,抗损伤能力差,维护成本高,更换周期长的缺点。现阶段研制出的气凝胶超级隔热材料，具有低密度，极低热导率特性，如氧化硅气凝胶具有优异的隔热性能，是目前公认热导率最低的固态材料(常温下约为0.013W/(m·K))[王小东.纳米多孔SiO₂气凝胶隔热复合材料应用基础研究[D].长沙:国防科学技术大学，2006]。由于气凝胶本身固有的力学性能差，使该类材料在力学性能要求高的航空航天领域的应用受到限制。

纤维增强的陶瓷基复合材料具有陶瓷材料耐高温、密度低、热稳定性和化学稳定等特点，同时还具有不产生灾难性破坏的优点，它作为一种重要的高温防/隔热材料越来越引起材料研究者的重视。碳/碳(C/C)复合材料是碳纤维增强碳基体的复合材料,具有高强高模、比重轻、热膨胀系数小、抗腐蚀、抗热冲击、耐摩擦性能好、化学稳定性好等一系列优异性能,是一种新型的热结构/功能一体化的超高温复合材料。但由于其具有强烈的氧化敏感性(温度高于500℃时迅速氧化),如不加以保护，C/C复合材料难以在高温下满足要求[P.L.Walker Jr,Carbon-An old but new material[J],Carbon,1972,10(4):369-382.]。另一类超高温热防护材料是C/SiC复合材料,C/SiC复合材料具有低密度、高强度、耐高温、抗烧蚀和抗冲击等优点,其抗氧化性能优于C/C复合材料。西北工业大学等单位研制的C/SiC陶瓷复合材料在1650℃的氧化环境中能够长时间工作,室温抗弯强度和断裂韧性分别达到700MPa以上和10～15MPa·m^1/2[张立同,成来飞,徐永东.新型碳化硅陶瓷基复合材料的研究进展[J].航空制造技术,2003,233(1):24-32.]。但是性能优异的C/SiC复合材料热防护件制备工艺复杂、周期长、制备成本高，其高温本征抗氧化性能差，热桥阻断作用也较弱。氧化物陶瓷不存在氧化的问题，氧化锆基陶瓷具有熔点高、硬度高、热导率低、热稳定性好、耐化学腐蚀、线膨胀系数接近金属材料等诸多优异性能，可以作为热结构的保护材料使用。将氧化锆基材料制成多孔陶瓷可进一步降低热导率和轻量化[B.Nait-Ali,K.Haberko,H.Vesteghem,J.Absi and D.S.Smith,Thermal conductivity of highly porous zirconia,Journal of the EuropeanCeramic Society,2006,26:3567-3574.]，同时多孔陶瓷中的孔结构还可以缓解热膨胀不匹配造成的应力。另外，将稀有金属离子固溶到氧化锆晶格中也可以材料降低热导率[M.Matsumoto,K.Aoyama,H.Matsubara,K.Takayama,T.Banno,Y.Kagiya,Y.Sugita,Thermalconductivity and phase stability of plasma sprayed ZrO2–Y2O3–La2O3coatings,Surf.Coat.Technol,2005,194:31-35；Akira Kishimoto,Masanori Okada,Takashi Teranishi,Hidetaka Hayshi,Maintaining the mechanical strength of La-,Y-co-substituted zirconia porous ceramics through thesuperplastically foaming method,Materials Science&Engineering A,2013,581:98-103]。

目前制备多孔陶瓷方法包括模板法[H.W.Kim,S.Y.Lee,C.J.Bae,Y.J.Noh,H.E.Kim,H.M.Kim,J.S.Ko,Porous ZrO2bone scaffold coated with hydroxyapatite with fluorapatiteintermediate layer,Biomaterials,2003,24:3277-3284；I.K.Jun,Y.H.Koh,H.E.Kim,Fabricationof ultrahigh porosity ceramics with biaxial pore channels,Mater.Lett.,2006,60:878-882]、添加造孔剂法[M.Boaro,J.M.Vohs,R.J.Gorte,Synthesis of highly porous yttria-stabilized zirconiaby tape-casting methods,J.Am.Ceram.Soc.,2003,86(3):395-400]、部分烧结法[Z.Y.Deng,J.F.Yang,Y.Beppu,M.Ando,T.Ohji,Effect of agglomeration on mechanical properties of porouszirconia fabricated by partial sintering,J.Am.Ceram.Soc.,2002,85:1961-1965]、有机泡沫浸渍法[S.Y.Gomez,J.A.Escobar,O.A.Alvarez,C.R.Rambo,A.P.N.de Oliveira,D.Hotza,ZrO2foams for porous radiant burners,Journal of Materials Science,2009,44:3466-3471]等,但是这些方法都难以制备出兼备高气孔率和高力学强度的多孔陶瓷。

发明内容

本发明旨在填补现有技术难以制备兼具高气孔率和高力学强度的多孔陶瓷的空白，本发明提供了一种氧化锆基多孔复合材料及其制备方法。

本发明提供了一种氧化锆基多孔复合材料，所述氧化锆基多孔复合材料包含由La₂O₃、Y₂O₃和ZrO₂构成的氧化锆基体、以及埋覆于氧化锆基体中的增强体纤维，其中，在氧化锆基体中，将La₂O₃、Y₂O₃以及ZrO₂的摩尔比之和作为100mol％，La₂O₃占1-10mol％，Y₂O₃占0.5-5mol％，其余为ZrO₂；增强体纤维占所述氧化锆基多孔复合材料的10-45wt％。

较佳地，所述增强体纤维可为氧化锆毡、莫来石毡、氧化铝纤维编织体、碳纤维编织体或氧化锆纤维编织体，所述增强体纤维的直径为20-25μm。

较佳地，所述ZrO₂可以立方相和单斜相存在。

较佳地，可以氧化锆毡作为增强体纤维，所述氧化锆基多孔复合材料的密度为2.93-3.32g/cm³，显气孔率41.1-49.8％，压缩强度为14.6-47.4MPa，在100-1200℃温度范围下所述氧化锆多孔复合材料的热导率为0.58-0.91W/(m·K)。

此外，本发明还提供了一种上述氧化锆基多孔复合材料的制备方法，所述方法包括：

1)以氧氯化锆、硝酸钇和硝酸镧为原料，按氧化锆基体中Zr、La、Y之间的摩尔比配制含有Zr、La、Y的水溶液，加入分散剂，滴加氨水，加热蒸发部分溶剂得到Zr元素的摩尔浓度为3.9-7.7的前驱体乳液，优选Zr元素的摩尔浓度为7.0～7.7mol/L；

2)将前驱体乳液、乙醇和聚乙烯醇混合配制为具有规定粘度的前驱体浆料；

3)将作为骨架的增强体纤维在步骤2)制备的浆料中浸渍，得到所述氧化锆基多孔复合材料的前驱体；

4)将步骤3)制备的前驱体干燥后，在规定气氛、800—1000℃下裂解得到预制体；以及

5)将步骤4)中制备的预制体在规定气氛、1200-1700℃下进行热处理。

较佳地，重复步骤3)和步骤4)以使所述氧化锆基多孔复合材料具有规定的密度和/或强度。

较佳地，步骤1)中，氧氯化锆与氨水的摩尔比为1：(0.5-1.1)，优选1：(0.5～0.8)。

较佳地，步骤2)中，所述规定的粘度为20-60mPa·s。

较佳地，步骤2)中，所述聚乙烯醇溶液的浓度为2～6wt％，所述前驱体乳液和乙醇和聚乙烯醇溶液的体积比为100：(90～70)：(0.5～2)。

较佳地，步骤3)中，所述浸渍包括：抽真空至100Pa以下浸渍10～40分钟；以及充氮气至1～2.5MPa，保压浸渍7～13小时。

较佳地，步骤4)中，裂解工艺的参数为：升温速率2—10℃/分钟，裂解时间0.5—3小时。

较佳地，步骤5)中，热处理工艺的参数为：温度变化速率为3—10℃/分钟，保温时间1—6小时，其中，热处理优选包含两次保温，第一次保温的升温速率5—10℃/分钟，保温温度1450-1600℃，保温时间1—4小时，第二次保温在降温阶段以降温速率3—5℃/分钟，保温温度1000—1200℃，保温时间3—6小时。

较佳地，步骤4)和步骤5)中，所述规定气氛包括：若增强体为非氧化物则规定气氛是保护性气体为Ar、氮气或氨气；若增强体为氧化物则规定气氛是空气或者保护性气体为Ar、氮气或氨气。

本发明的有益效果：

本发明提供的多孔复合材料(例如氧化锆毡/氧化锆多孔复合材料)的特点是体积密度可为2.93-3.32g/cm³,开口气孔率41.1-49.8％,压缩强度为14.6-47.4MPa,在100～1200℃温度范围氧化锆毡/氧化锆多孔复合材料的热导率为0.58～0.91W/(m·K)；

与传统的隔热材料相比，多孔氧化锆基复合材料(例如氧化锆毡/氧化锆多孔复合材料)兼备耐高温、低热导率、轻质、抗氧化、具有一定的力学强度等诸多特性；

本发明适用于氧化锆毡、莫来石毡、氧化锆纤维编织体、氧化铝纤维编织体等多种骨架增强的氧化锆基复合材料的制备，具有广泛的适用性。

附图说明

图1示出了本发明的一个实施方式中制备的氧化锆前驱体乳液；

图2示出了本发明的一个实施方式中使用的氧化锆毡的显微结构，氧化锆短纤维平均直径为20～25μm，连通的空隙结构有利于充分渗入浆液；

图3示出了本发明的一个实施方式中使用的氧化锆毡XRD图谱，主要晶型是立方氧化锆，并含有少量的单斜相；

图4a示出了本发明的一个实施方式中1550℃烧结的以氧化锆毡为增强体的氧化锆基多孔复合材料中氧化锆毡拔出断面SEM图，表明氧化毡在多孔氧化锆基体中起到补强增韧作用，这种增强作用类似于连续长纤维在陶瓷基体中的拔出；

图4b示出了本发明的一个实施方式中1550℃烧结的以氧化锆毡为增强体的氧化锆基多孔复合材料中氧化锆毡脱粘断面SEM图，表明氧化毡在多孔氧化锆基体中起到补强增韧作用，这种增强作用类似于连续长纤维在陶瓷基体中的脱粘；

图5示出了本发明的一个实施方式中1600℃烧结的以氧化锆毡为增强体的氧化锆基多孔复合材料XRD图谱，烧结体中ZrO₂主要晶相为立方相氧化锆。

具体实施方式

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。

本发明涉及一种(以氧化锆毡作为增强体纤维)氧化锆基隔热、耐高温抗氧化、多孔复合材料的制备方法，独创性地采用无机盐氧氯化锆(ZrOCl₂·8H₂O)为氧化锆前驱体，利用真空压力浸渍工艺将氧化锆前驱体浸渍液引入增强体纤维(氧化锆毡)骨架中，循环浸渍、干燥、裂解十二次，最后在温度1450～1600℃常压烧结获得(以氧化锆毡作为增强体纤维)氧化锆基多孔复合材料,体积密度可为2.93-3.32g/cm³,开口气孔率41.1-49.8％,压缩强度为14.6-47.4MPa,在100～1200℃温度范围(以氧化锆毡作为增强体纤维)氧化锆多孔复合材料的热导率为0.58～0.91W/(m·K)。本发明创造一种具有轻质、隔热、耐高温的多孔材料及其制备方法，有望在使用工况苛刻的高温热防护领域中得到广泛应用。该复合材料的主要晶型是立方相。(以氧化锆毡作为增强体纤维)氧化锆基多孔复合材料兼具低热导率、低密度、耐高温和一定力学强度，生产成本低，易于实现工业化生产。

本发明提供了一种轻质、隔热、耐高温抗氧化的氧化锆基多孔复合材料，除了增强体纤维外，组成还有La₂O₃(1-10mol％)、Y₂O₃(0.5-5mol％)、ZrO₂(以La₂O₃、Y₂O₃以及ZrO₂的摩尔比之和作为100％)。

所述的轻质、隔热、耐高温抗氧化的氧化锆基多孔复合材料，除了增强体纤维外，组成还有La₂O₃(1.5mol％)、Y₂O₃(2.5mol％)、ZrO₂(以La₂O₃、Y₂O₃以及ZrO₂的摩尔比之和作为100％)。

本发明还提供了一种所述的轻质、隔热、耐高温的氧化锆基多孔复合材料制备方法，包括下述步骤：

(1)将锆的无机盐和添加的稳定剂在溶剂中搅拌混合，制备出均匀的前驱体乳液；锆的无机盐为氧氯化锆，稳定剂包括六水硝酸钇和六水硝酸镧；

(2)将步骤(1)所制备的乳液与乙醇、PVA溶液均匀混合配制成合适粘度的(前驱体)浆液；

(3)将作为骨架的氧化锆毡增强体在步骤(2)所制备的浆液中进行浸渍；

(4)将干燥后的骨架预浸体进行裂解；

(5)裂解后预制体(前驱体)根据制品的密度、强度或者其他性能对其的需要重复步骤(3)、(4)若干次；

(6)将步骤(5)中致密化处理的样品在高温保护性气氛中进行热处理；

步骤(6)中热处理温度为大于1200℃且小于1700℃；

所述保护气氛为Ar,N₂或者NH₃气氛。

所述轻质、隔热、耐高温抗氧化的氧化锆基多孔复合材料中，增强体包括但不限于氧化锆毡、莫来石毡、氧化铝纤维编织体、碳纤维编织体、氧化锆纤维编织体。

所述轻质、隔热、耐高温的氧化锆基多孔复合材料制备方法，裂解后预制体(前驱体)一般进行0～18次但不包括0次浆液浸渍裂解后再进行高温热处理。

本发明独创性地配制出廉价的锆的无机盐前驱体浸渍液，并利用真空压力浸渍工艺把具有力学增强作用的氧化锆毡作为多孔氧化锆陶瓷的骨架，制备了耐高温、低热导率、轻质和具有一定力学强度的结构/功能一体化的高温隔热材料。

氧化锆基多孔复合材料前驱体乳液制备

将氧氯化锆溶于水中，氧氯化锆的浓度约为2～4mol/L，按选定的硝酸钇和硝酸镧添加量加入到溶液中，加入聚乙二醇作为分散剂，浓度为0.2～2wt％。用0.5～2mol/L浓度的稀氨水缓慢滴定，滴加总量285ml稀氨水。在氨水滴加完之后，加热溶液蒸发掉部分溶剂(例如混合溶液总体积从540ml降至130ml)，并冷却到室温，得到白色的含氧化锆的乳液(图1)。

氧化锆毡选择

采用体积密度0.95g/cm³,气孔率约80％的氧化锆毡作为多孔复合材料的骨架，主要晶型是立方氧化锆并含有少量的单斜相，氧化锆短纤维平均直径为20～25μm，氧化锆毡的显微结构和物相组成分别见图2和图3。所述骨架包括但不限于氧化锆毡、莫来石毡、氧化铝纤维编织体、碳纤维编织体、氧化锆纤维编织体。

浆液粘度调节

氧化锆前驱体乳液、乙醇和5wt％浓度聚乙烯醇(PVA)溶液按100:80:1体积比例均匀混合，控制浆液的室温粘度为20～60mPa·s。

氧化锆毡循环浸渍、干燥、裂解

氧化锆毡循环浸渍、干燥、裂解的具体实施步骤为：把氧化锆毡置于真空浸渍罐内，当浸渍罐抽真空到100Pa以下后，倒吸浸渍液直至浸渍液能够完全浸没氧化锆毡，半小时之后开始往浸渍罐内充氮气至1～2.5MPa，保压7～13h时间，取出氧化锆毡放入60℃烘箱中干燥6h,再调节烘箱温度至90℃干燥12h。最后，将完全干燥后的样品置于裂解炉中，在空气气氛下以5℃/min升温速率升至970℃裂解2h后随炉冷却。根据制品的密度、强度或其它性能的需要可以对预制件循环浸渍、干燥、裂解若干周期。

常压烧结

对裂解后的坯体进行常压烧结。以10℃/min的升温速率升到1450～1600℃保温2h,随后以5℃/min降温速率降至1200℃，并保温4h，然后随炉冷却。

本发明提供的(以氧化锆毡作为增强体纤维)氧化锆基多孔复合材料的特点是：

1.体积密度为2.93-3.32g/cm³,开口气孔率41.1-49.8％,压缩强度为14.6-47.4MPa,在100～1200℃温度范围以氧化锆毡为增强体的氧化锆多孔复合材料的热导率为0.58～0.91W/(m·K)；

2.与传统的隔热材料相比，(以氧化锆毡作为增强体纤维)氧化锆基多孔复合材料兼备耐高温、低热导率、轻质、抗氧化、具有一定的力学强度等诸多特性；

3.本发明适用于氧化锆毡、莫来石毡、氧化锆纤维编织体、氧化铝纤维编织体等多种骨架增强的氧化锆基复合材料的制备，具有广泛的适用性。

以下进一步列举出一些示例性的实施例以更好地说明本发明。应理解，本发明详述的上述实施方式，及以下实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。另外，下述工艺参数中的具体配比、时间、温度等也仅是示例性，本领域技术人员可以在上述限定的范围内选择合适的值。

实施例1：

将180g氧氯化锆溶于150ml水中，搅拌使其溶解。加入11.54g六水硝酸钇和7.85g六水硝酸镧混合均匀，并加入1.13g聚乙二醇作为分散剂，然后滴加285ml稀氨水(浓度为2mol/L)。在氨水滴加完之后，加热溶液蒸发掉部分溶剂使混合溶液总体积降至130ml，并冷却至室温得到氧化锆前驱体乳液。随后将氧化锆前驱体乳液、乙醇和5wt％浓度聚乙烯醇(PVA)溶液按100:80:1体积比例均匀混合，控制浆液的室温粘度20～60mPa·s并用旋转粘度计测量粘度。把氧化锆毡置于真空浸渍罐内，当浸渍罐抽真空到100Pa以下后，倒吸浸渍液直至浸渍液能够完全浸没氧化锆毡，半小时之后开始往浸渍罐内充氮气至2.5MPa，保压13h时间，取出氧化锆毡放入60℃烘箱中干燥6h,再调节烘箱温度至90℃干燥12h。最后，将完全干燥后的样品置于裂解炉中，在空气气氛下以5℃/min升温速率升至970℃裂解2h后随炉冷却。为了使材料达到一定的致密化程度，按上述工艺对氧化锆毡循环浸渍、干燥、裂解12次。随后将预制件置于综合炉中氮气气氛下常压烧结，以10℃/min的升温速率升到1450℃保温2h,保温烧结过后以5℃/min降温速率降至1200℃保温4h后随炉冷却。

将烧结体加工成尺寸10mm×10mm×10mm的试样，参照GB-T8489-2006精细陶瓷压缩强度试验方法进行，测试仪器为Instron-5566型万能材料试验机，加载速率0.2mm/min。根据Archimedes原理，用Precisa公司的XT-220型分析天平测试并计算试样的开口气孔率(P_a)及体积密度(ρ_v)：

$P_a=\frac{M_3-M_1}{M_3-M_2}\×100\%;{\mathrm{\ρ}}_v=\frac{M_1}{M_3-M_2}{\mathrm{\ρ}}_w$

其中：M1为干燥试样的质量(g)；M₂为试样吸水饱和后浸渍在水中的质量(g)；M3为试样充分吸水后在空气中的质量(g)；ρ_w为水的体积密度(g/cm³)。采用Bruker公司D8Advance型X射线衍射仪(CuKα,λ＝1.5406nm)室温下进行物相分析,扫描速率4°/min,扫描范围10°～85°，用日本JEOL公司的JSM-6390型扫描电镜观测试样的显微结构。烧结体试样导温系数参照GJB1201.1-91闪光法测量热扩散系数测试标准，试样尺寸为Φ10mm×2.5～3mm,测试样品数量不小于3件，试样不得有明显的裂纹和空洞，试验气氛氩气保护。试样比热容参照ASTM E1269-05测试标准,样品尺寸Φ5.8～6mm×19.5mm,测试样品数量不小于3件，试样不得有明显的裂纹和空洞，试验气氛氩气保护，试样导温系数和比热容测试温度范围在100～1200℃。通过计算公式：λ＝ρ·Cp·α获得试样在不同温度条件下的热导率，其中λ为热导率，ρ为体积密度，Cp为比热，α为导温系数。

该实施例获得的氧化锆毡/氧化锆多孔复合材料体积密度2.97g/cm³,开口气孔率48.1％，压缩强度16.9MPa,在温度100～1200℃范围热导率为0.58～0.86W/(m·K)，氧化锆毡占所述氧化锆基多孔复合材料约30wt％。

实施例2：

其它工艺同实施例1，但是在1500℃烧结并保温2小时，该实施例获得的氧化锆毡/氧化锆多孔复合材料体积密度3.18g/cm³,开口气孔率44.1％，在温度100～1200℃范围热导率为0.66～0.91W/(m·K)，压缩强度19.8MPa，氧化锆毡占所述氧化锆基多孔复合材料约30wt％。

实施例3：

其它工艺同实施例1，但是在1550℃烧结并保温2小时，该实施例获得的氧化锆毡/氧化锆多孔复合材料体积密度3.20g/cm³,开口气孔率43.9％，在温度100～1200℃范围热导率为0.59～0.89W/(m·K)，压缩强度33.2MPa。烧结体断面SEM照片如图4a和图4b所示，有氧化锆毡脱粘和拔出现象，氧化锆毡占所述氧化锆基多孔复合材料约30wt％。

实施例4：

其它工艺同实施例1，但是在1600℃烧结并保温2小时，该实施例获得的氧化锆毡/氧化锆多孔复合材料体积密度3.27g/cm³,开口气孔率42.5％，在温度100～1200℃范围热导率为0.70～0.83W/(m·K)，压缩强度40.0MPa。烧结体的相为单斜相和立方相如图5所示，氧化锆毡占所述氧化锆基多孔复合材料约30wt％。

表1列出1-4实施例的(以氧化锆毡作为增强体纤维)氧化锆基多孔复合材料体积密度，开口气孔率，压缩强度。

表1(以氧化锆毡作为增强体纤维)氧化锆基多孔复合材料体积密度、开口气孔率和压缩强度

表2列出1-4实施例的(以氧化锆毡作为增强体纤维)氧化锆基多孔复合材料在温度100～1200℃范围内的热导率。

表2(以氧化锆毡作为增强体纤维)氧化锆基多孔复合材料在温度100～1200℃范围内的热导率

Claims (13)

1.一种氧化锆基多孔复合材料，其特征在于，所述氧化锆基多孔复合材料包含由La₂O₃、Y₂O₃和ZrO₂构成的氧化锆基体、以及埋覆于氧化锆基体中的增强体纤维，其中，在氧化锆基体中，将La₂O₃、Y₂O₃以及ZrO₂的摩尔比之和作为100 mol%，La₂O₃占1-10mol%，Y₂O₃占0.5-5mol%，其余为ZrO₂；增强体纤维占所述氧化锆基多孔复合材料的10-45wt%。

2.根据权利要求1所述的氧化锆基多孔复合材料，其特征在于，所述增强体纤维为氧化锆毡、莫来石毡、氧化铝纤维编织体、碳纤维编织体或氧化锆纤维编织体。

3.根据权利要求1或2所述的氧化锆基多孔复合材料，其特征在于，所述ZrO₂以立方相和单斜相存在。

4.根据权利要求1-3中任一所述的氧化锆基多孔复合材料，其特征在于，以氧化锆毡作为增强体纤维，所述氧化锆基多孔复合材料的密度为2.93-3.32g/cm³，显气孔率41.1-49.8%，压缩强度为14.6-47.4MPa，在100-1200℃温度范围下所述氧化锆多孔复合材料的热导率为0.58-0.91 W/(m·K)。

5.一种权利要求1-4中任一所述氧化锆基多孔复合材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括：

1）以氧氯化锆、硝酸钇和硝酸镧为原料，按氧化锆基体中Zr、La、Y之间的摩尔比配制含有Zr、La、Y的水溶液，加入分散剂，滴加氨水，加热蒸发部分溶剂得到Zr元素的摩尔浓度为3.9-7.7的前驱体乳液，优选Zr元素的摩尔浓度为7.0～7.7mol/L；

2）将前驱体乳液、乙醇和聚乙烯醇混合配制为具有规定粘度的前驱体浆料；

3）将作为骨架的增强体纤维在步骤2）制备的浆料中浸渍，得到所述氧化锆基多孔复合材料的前驱体；

4）将步骤3）制备的前驱体干燥后，在规定气氛、800—1000℃下裂解得到预制体；以及

5）将步骤4）中制备的预制体在规定气氛、1200-1700℃下进行热处理。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，重复步骤3）和步骤4）以使所述氧化锆基多孔复合材料具有规定的密度和/或强度。

7.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于，步骤1）中，氧氯化锆与氨水的摩尔比为1：（0.5-1.1），优选1：（0.5～0.8）。

8.根据权利要求5～7中任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤2）中，所述规定的粘度为20-60 mPa·s。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，步骤2）中，所述聚乙烯醇溶液的浓度为2～6wt%，所述前驱体乳液和乙醇和聚乙烯醇溶液的体积比为100：（90～70）：（0.5～2）。

10.根据权利要求5-9中任一所述的制备方法，其特征在于，步骤3）中，所述浸渍包括：

抽真空至100Pa以下浸渍10～40分钟；以及充氮气至1～2.5MPa，保压浸渍7～13小时。

11.根据权利要求5-10中任一所述的制备方法，其特征在于，步骤4）中，裂解工艺的参数为：升温速率2—10℃/分钟，裂解时间0.5—3小时。

12.根据权利要求5-11中任一所述的制备方法，其特征在于，步骤5）中，热处理工艺的参数为：温度变化速率为3—10℃/分钟，保温时间1—6小时，其中，热处理优选包含两次保温，第一次保温的升温速率5—10℃/分钟，保温温度1450-1600℃，保温时间1—4小时，第二次保温在降温阶段以降温速率3—5℃/分钟，保温温度1000—1200℃，保温时间3—6小时。

13.根据权利要求5-12中任一所述的制备方法，其特征在于，步骤4）和步骤5）中，所述规定气氛包括：若增强体为非氧化物则规定气氛是保护性气体为 Ar、氮气或氨气；若增强体为氧化物则规定气氛是空气或者保护性气体为 Ar、氮气或氨气。