CN114933477A - 一种高韧性无相变铌酸盐陶瓷及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高韧性无相变铌酸盐陶瓷及其制备方法，涉及高温结构陶瓷技术领域，其技术方案要点是：所述铌酸盐陶瓷由RENbO4和RE3NbO7组成，其中RENbO4的质量分数为60‑80％，而RE3NbO7的质量分数为20‑40％。通过成分设计和相关制备技术克服了RENbO4陶瓷存在的低温相变、硬度低和杨氏模量不足的问题，同时解决了RE3NbO7陶瓷存在的断裂韧性差的问题。所制备的铌酸盐陶瓷具有断裂韧性高、硬度高、无相变和低热导率的特点，其在热障涂层、隔热防护涂层和抗腐蚀涂层等材料领域具有极大的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及高温结构陶瓷技术领域，更具体地说，它涉及一种高韧性无相变铌酸盐陶瓷及其制备方法。
背景技术
稀土铌酸盐RENbO4和RE3NbO7陶瓷作为新型的超高温隔热耐磨防护陶瓷材料目前已经被大量研究，其应用范围包括热障涂层、环境障涂层、耐酸碱涂层和耐冲击烧蚀涂层等各个方面。稀土铌酸盐作为热障涂层应有具有热导率低、热膨胀系数与基体匹配、力学性能优异和抗高温水蒸气侵蚀等优点，但是这两种铌酸盐陶瓷均具有一定缺点，限制了其实际应用。如RENbO4陶瓷在400-900℃的温度范围内会发生相变，导致材料的热膨胀系数发生突变从而在高温应用过程中失效，同时这类材料具有硬度低(4-7GPA)和杨氏模量低(80-120GPA)的问题，还难以直接作为高温结构材料使用。RE3NbO7陶瓷则具有极低的断裂韧性(0.5-1.5MPV.m1/2)在使用过程中容易剥落失效，因此如何克服上述两类陶瓷材料的缺点并实现应用是目前的关键。
发明内容
本发明的目的是提供一种高韧性无相变铌酸盐陶瓷及其制备方法，解决了当前稀土铌酸盐陶瓷RENbO4和RE3NbO7存在的断裂韧性差、力学性质不足，在400-900℃的温度范围内会发生相变的缺点，有效的改善了材料的热学和力学性质，进一步提高了材料在不同领域的应用价值。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种高韧性无相变铌酸盐陶瓷，所述铌酸盐陶瓷由RENbO4和RE3NbO7组成，其中RENbO4的质量分数为60-80％，RE3NbO7的质量分数为20-40％。
本方案的技术原理和效果在于：铌酸盐陶瓷中RENbO4和RE3NbO7的同时存在，相互制约了原子的移动和相变的发生，当RENbO4的质量分数在本发明方案的范围内时，其相变被临近的RE3NbO7晶粒所制约，而RE3NbO7本身无相变。铌酸盐陶瓷RENbO4的晶粒与晶粒之间结合强度低通常裂纹通过晶界进行扩展和传播，而RE3NbO7的加入有效提高了晶粒之间的结合强度，使得材料的裂纹断裂和扩展机制从沿晶断裂向穿晶断裂转变，有效的消耗了断裂能；此外，晶界结合强度的提高使得材料中出现细小裂纹进一步缓解了应力集中从而提高了材料的断裂韧性。在本方案的探究过程中发现，当TmNbO4陶瓷含量过高或者过低，所制备陶瓷涂层材料均存在硬度低、杨氏模量差的问题。
进一步，所述RE为稀土元素Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu和Y中的一种，并且RENbO4和RE3NbO7中所使用的稀土元素相同。
通过采用上述技术方案，RENbO4和RE3NbO7两种体系铌酸盐所用稀土元素相同，利用了两种体系中稀土和铌元素均已经饱和的原理使得两种相均能够在长期高温服役环境中温度存在，不会发生由于元素扩散导致的材料相变和最终失效。
进一步，所述RENbO4和RE3NbO7由原料RE2O3和Nb2O5制备而成。
通过采用上述技术方案，RE2O3和Nb2O5最终形成的化合物中有两种物相，分别为单斜相的RENbO4陶瓷和立方相结构的RE3NbO7陶瓷。
进一步，所述铌酸盐陶瓷的平均晶粒尺寸为1-2微米，断裂韧性为3-4MPa·m1/2，并在室温至1500℃的温度范围内无相变。
通过采用上述技术方案，在制备过程中RENbO4和RE3NbO7两种相的晶粒相互竞争长大从而起到抑制晶粒过度长大的作用，通常情况下RENbO4和RE3NbO7的平均晶粒尺寸为5微米，而本方案制备的材料的平均晶粒尺寸减小至1-2微米，并且晶粒细化提高了材料的硬度、断裂韧性和模量。
进一步，所述RENbO4为单斜相结构，RE3NbO7为立方相结构。
通过采用上述技术方案，RE3NbO7晶粒的存在有效抑制了相邻RENbO4相变的发生。
一种高韧性无相变铌酸盐陶瓷的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
步骤(1)：分别称量RE2O3和Nb2O5粉末，所述RE2O3和Nb2O5粉末的纯度均大于99％，然后将两种粉末分别混合均匀；
步骤(2)：将均匀混合后的浆料干燥，然后高温烧结、冷却后得到RENbO4和RE3NbO7的初始粉末；
步骤(3)：将冷却后的初始粉末研磨、过筛，称取RENbO4和RE3NbO7粉末，然后将两相粉末混合均匀；
步骤(4)：称取适量混合粉末通过高温高压烧结制备得到由单斜相RENbO4立方相RE3NbO7组成的铌酸盐陶瓷。
通过采用上述技术方案：铌酸盐陶瓷由单斜相RENbO4和立方相RE3NbO7组成，两种铌酸盐中所用稀土元素一致从防止了两种材料中元素的相互扩散导致了相变和材料失效，在烧结过程中两相晶粒相互竞争产生晶粒细化和晶粒结合强度增强的作用，从而提高了材料的硬度和断裂韧性；而晶粒细化、晶界结合强度增强和多种裂纹扩展机制的引入有效提高了材料的断裂韧性；此外，无相变的RE3NbO7晶粒的存在有效抑制了相邻RENbO4相变的发生，从而获得在室温至1500℃温度范围内无相变的铌酸盐陶瓷。在探究过程中发现，如果直接通过传统高温烧结的方式制备材料则使得材料的致密度不足，最终材料的硬度、杨氏模量和断裂韧性都比较差；只有符合目前专利中所显示的含量并通过本方法制备的陶瓷材料才能够具有对应的性能特性。
进一步，所述步骤(1)中的混合是通过球磨的方式进行混合，且球磨机转速300-400r/min，球磨时间6-12h，粉末和酒精的质量比为1:10-1:20。
通过采用上述技术方案，能够在较短的时间内将粉末混合均匀，同时不破坏原有粉末的粒径大小和原始形貌，在提高效率的同时保证了材料粉末原有特性，更有利于后续反应烧结的进行。
进一步，所述步骤(2)中，干燥温度为80-100℃，干燥时间10-20h，所述烧结温度为1300-1600℃，烧结时间5-10h。
通过采用上述技术方案，使得粉末能够在较短时间内干燥完毕，提高实验效率，同时不破坏粉末原有特性，保证反应的顺利进行；在规定时间内进行保温可以有效防止粉末之间团聚的发生，并且保证反应完全彻底地进行，有效节省能源。
进一步，所述步骤(3)中的混合是通过球磨的方式进行混合，且球磨机转速300-500r/min，球磨时间12-24h。
通过采用上述技术方案，能够将两种粉末有效混合均匀，使得后续制备得到的材料中两相粉末均匀粉末，且含量较少的铌酸盐陶瓷被含量较多的铌酸盐陶瓷包围，从而抑制了材料中相变的发生，并且相互交错的晶粒能够有效偏转裂纹，提高材料的断裂韧性。
进一步，所述步骤(4)中，烧结过程中压力为100-200MPa，烧结温度为1400-1600℃，烧结时间为5-20min。
通过采用上述技术方案，短时间高温高压烧结能够获得致密的陶瓷材料，从而提高材料的断裂韧性和硬度等力学性质，同时防止了长时间保温后陶瓷材料中出现第二相或者晶粒过度长大导致材料的力学性质下降；材料中两相晶粒细小并且相互交错连接能够有效抑制材料相变的发生，从而获得无相变的铌酸盐陶瓷。
综上所述，本技术方案的有益效果为：在本技术方案中发明人通过制备双相RENbO4加RE3NbO7铌酸盐陶瓷材料，在材料中引入不同类型的抗裂纹开裂机制有效提高了材料的断裂韧性，同时两种不同物相的晶粒在生长过程中相互竞争产生晶粒细化的效果使得材料的硬度和杨氏模量明显提高；最重要的是两相铌酸盐陶瓷之间的相互竞争抑制了铌酸盐陶瓷相变的发生，最终获得一种高韧性、无相变、低热导率和具有优异综合力学性质的铌酸盐陶瓷材料。
附图说明
图1是实施例1-3和对比例1制得的陶瓷扫描电镜图；
图2是本实施例1与对比例1制得的陶瓷热膨胀系数的比较结果图；
图3是实施例1和对比例1进行断裂韧性测试时裂纹扩展情况对比图；
图4是实施例1-3与对比例1-3的断裂韧性对比图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
实施例1
一种高韧性无相变铌酸盐陶瓷，所述铌酸盐陶瓷由TmNbO4和Tm3NbO7组成，其中TmNbO4的质量分数为60-80％，而Tm3NbO7的质量分数为20-40％。RE为稀土元素Tm，并且TmNbO4和Tm3NbO7中所使用的稀土元素相同。TmNbO4和Tm3NbO7分别由原料Tm2O3和Nb2O5制备而成。铌酸盐陶瓷的平均晶粒尺寸为1-2微米，断裂韧性为3-4MPa·m1/2，并在室温至1500℃的温度范围内无相变。RENbO4为单斜相结构，RE3NbO7为立方相结构。
一种高韧性无相变铌酸盐陶瓷，由以下方法制备而成：
(1)根据TmNbO4和Tm3NbO7中Tm与Nb的化学计量比分别称量所需的Tm2O3和Nb2O5粉末，Tm2O3和Nb2O5粉末纯度大于99％；
(2)通过球磨混料将两种粉末分别混合均匀，球磨机转速300转每分钟，球磨时间12h，球磨过程中使用酒精作为球磨介质，粉末和酒精质量比为1:10；
(3)分别将均匀混合后的浆料干燥，干燥温度80℃，干燥时间20h；然后将得到的粉末在1300℃高温下烧结10h，冷却后得到TmNbO4和Tm3NbO7的初始粉末；
(4)将冷却后的粉末研磨、300目过筛，根据TmNbO4和Tm3NbO7分别为80％和20％来称量两者质量，再次通过球磨获得混合均匀的两相粉末，球磨机转速300转每分钟，球磨时间24h；最后称取2.0g的混合粉末通过高温高压烧结制备得到致密的铌酸盐陶瓷，烧结过程中压力为100MPa，烧结温度为1600℃，烧结时间为5min。
实施例2
一种高韧性无相变铌酸盐陶瓷，由以下方法制备而成：
(1)分别根据YNbO4和Y3NbO7中Y与Nb的化学计量比分别称量所需的Y2O3和Nb2O5粉末，所用Y2O3和Nb2O5粉末纯度大于99％；
(2)通过球磨混料将两种粉末分别混合均匀，球磨机转速400转每分钟，球磨时间6h，球磨过程中使用酒精作为球磨介质，粉末和酒精质量比为1:20；
(3)将均匀混合后的浆料干燥，干燥温度100℃，干燥时间10h，在1600℃下高温烧结5h，冷却后得到YNbO4和Y3NbO7的初始粉末；
(4)将冷却后的粉末研磨、300目过筛，根据YNbO4和Y3NbO7的分别为60％和40％称量两者质量，再次通过球磨获得混合均匀的两相粉末，球磨机转速500转每分钟，球磨时间12h；称取2.0g的混合粉末通过高温高压烧结制备得到致密的铌酸盐陶瓷，烧结过程中压力为200MPa，烧结温度为1400℃，烧结时间为10min。
实施例3
一种高韧性无相变铌酸盐陶瓷，由以下方法制备而成：
(1)根据YbNbO4和Yb3NbO7中Yb与Nb的化学计量比分别称量所需的Yb2O3和Nb2O5粉末，所用Yb2O3和Nb2O5粉末纯度大于99％；
(2)通过球磨混料将两种粉末分别单独混合均匀，球磨机转速330转每分钟，球磨时间8h，球磨过程中使用酒精作为球磨介质，粉末和酒精质量比为1:12；
(3)将均匀混合后的浆料干燥，干燥温度90℃，干燥时间15h；高温烧结和冷却后得到YbNbO4和Yb3NbO7的初始粉末，烧结温度1400℃，烧结时间8h；
(4)将冷却后的粉末研磨、300目过筛，根据YbNbO4和Yb3NbO7的分别为70％和30％称量两者质量，再次通过球磨获得混合均匀的两相粉末，球磨机转速360转每分钟，球磨时间14h；称取2.0g的混合粉末通过高温高压烧结制备得到致密的铌酸盐陶瓷，烧结过程中压力为130MPa，烧结温度为1500℃，烧结时间为10min。
实施例1-3中各参数对比如表1所示。
表1实施例1-3参数对比
对比例1
对比例1与实施例1的区别在于：仅制备TmNbO4陶瓷，制备方法与实施例1相同。图2显示其在820℃发生了相变。
由图1可知，实施例1-3中存在两种相，其中深灰色的为RENbO4陶瓷晶粒，而浅灰色的为RE3NbO7陶瓷晶粒，而对比例1中仅存在RENbO4一种晶粒，并且实施例1-3的晶粒尺寸明显小于对比例1。结合图3和图4可知，并测得对比例1的硬度为4.8GPa，杨氏模量为120GPa，断裂韧性为3.0MPa·m1/2，证明晶粒细化提高了材料的硬度、断裂韧性和杨氏模量。
由图2可知，实施例1制备的铌酸盐陶瓷在1500℃范围内无相变的发生，其热膨胀系数随着温度的升高稳定增大，而对比例1制备的材料在820℃发生相变导致其热膨胀系数明显下降，证明制备铌酸盐具有优异的高温稳定性，并无相变发生。
由图3可以看出，对比例1中存在穿晶断裂和沿晶断裂韧的情况，出现了明显的细小裂纹，而在对比例1中其裂纹扩展形式主要为沿晶断裂，说明其晶粒之间结合强度低，并且对比例1断裂韧性为3.0MPa·m1/2，明显低于实施例1-3制备的涂层。
对比例2与实施例1的区别在于：所制备材料中TmNbO4陶瓷含量为30％。图4显示对比例2的断裂韧性为1.2MPa·m1/2，明显低于实施例1-3制备的涂层。
对比例3
对比例3与实施例1的区别在于：最终烧结温度为1200℃。对比例3所制备得到的材料中含有大量的气孔，材料的断裂韧性低(1.1MPa·m1/2)、硬度(4.3GPa)和杨氏模量(130GPa)差。
由图4可以看出，可以看到本实施1-3制备的铌酸盐断裂韧性为3-4MPa·m1/2明显高于对比例1-3的1-2MPa·m1/2。
对比例4
对比例4与实施例1的区别在于：最终烧结温度为1650℃。所制备得到的材料致密度高，但是由于制备温度过高导致在材料中形成了析出相RENb3O9陶瓷，它的存在使得材料的硬度(4.0GPa)和杨氏模量(113GPa)明显降低，难以作为结构陶瓷材料使用。
对比例5
对比例5与实施例1的区别在于：所制备材料中TmNbO4陶瓷含量为90％。结果显示对比例5的硬度和杨氏模量不足，分别为5.0GPa和142GPa，同时断裂韧性仅为2.0MPa·m1/2，并且由于第二相Tm3NbO7陶瓷含量不足无法抑制其相变的发生，因此在820℃左右发生相变。
综上所述，RENbO4和RE3NbO7两相的晶粒相互竞争长大从而起到抑制晶粒过度长大，与只制备TmNbO4陶瓷相比，本技术方案对晶粒进行细化的效果显著。
本具体实施例仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (10)
1.一种高韧性无相变铌酸盐陶瓷，其特征在于：所述铌酸盐陶瓷由RENbO4和RE3NbO7组成，其中RENbO4的质量分数为60-80％，而RE3NbO7的质量分数为20-40％。
2.根据权利要求1所述的一种高韧性无相变铌酸盐陶瓷，其特征在于：所述RE为稀土元素Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu和Y中的一种，并且RENbO4和RE3NbO7中所使用的稀土元素相同。
3.根据权利要求1所述的一种高韧性无相变铌酸盐陶瓷，其特征在于：所述RENbO4和RE3NbO7分别由原料RE2O3和Nb2O5制备而成。
4.根据权利要求1所述的一种高韧性无相变铌酸盐陶瓷，其特征在于：所述铌酸盐陶瓷的平均晶粒尺寸为1-2微米，断裂韧性为3-4MPa·m1/2，并在室温至1500℃的温度范围内无相变。
5.根据权利要求2所述的一种高韧性无相变铌酸盐陶瓷，其特征在于：所述RENbO4为单斜相结构，RE3NbO7为立方相结构。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的一种高韧性无相变铌酸盐陶瓷的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括如下步骤：
步骤(1)：分别称量RE2O3和Nb2O5粉末，所述RE2O3和Nb2O5粉末的纯度均大于99％，然后将两种粉末分别混合均匀；
步骤(2)：将均匀混合后的浆料干燥，然后高温烧结、冷却后得到RENbO4和RE3NbO7的初始粉末；
步骤(3)：将冷却后的初始粉末研磨、过筛，称取RENbO4和RE3NbO7粉末，然后将两相粉末混合均匀；
步骤(4)：称取适量混合粉末通过高温高压烧结制备得到由单斜相RENbO4立方相RE3NbO7组成的铌酸盐陶瓷。
7.根据权利要求6所述的一种高韧性无相变铌酸盐陶瓷的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的混合是通过球磨的方式进行混合，且球磨机转速300-400r/min，球磨时间6-12h，粉末和酒精的质量比为1:10-1:20。
8.根据权利要求6所述的一种高韧性无相变铌酸盐陶瓷的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，干燥温度为80-100℃，干燥时间10-20h，所述烧结温度为1300-1600℃，烧结时间5-10h。
9.根据权利要求6所述的一种高韧性无相变铌酸盐陶瓷的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中的混合是通过球磨的方式进行混合，且球磨机转速300-500r/min，球磨时间12-24h。
10.根据权利要求6所述的一种高韧性无相变铌酸盐陶瓷的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中，烧结过程中压力为100-200MPa，烧结温度为1400-1600℃，烧结时间为5-20min。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116102920A (zh) * | 2022-09-07 | 2023-05-12 | 广西欧神诺陶瓷有限公司 | 一种隔热保温的油墨及其制备方法和应用 |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20090074604A1 (en) * | 2007-09-19 | 2009-03-19 | Industrial Technology Research Institute | Ultra-hard composite material and method for manufacturing the same |
| CN110078504A (zh) * | 2019-04-26 | 2019-08-02 | 清华大学 | 一种原位合成赝二元复相稀土铌酸盐陶瓷及其制备方法 |
| CN110698201A (zh) * | 2019-11-05 | 2020-01-17 | 湘潭大学 | 一种陶瓷及其制备方法 |
| CN111960837A (zh) * | 2020-08-28 | 2020-11-20 | 昆明理工大学 | 一种稀土钽酸盐或铌酸盐热障涂层的制备方法 |
| CN113416073A (zh) * | 2021-08-12 | 2021-09-21 | 昆明理工大学 | 一种多相组成的钽/铌酸盐复合陶瓷及其制备方法 |
| CN113548891A (zh) * | 2021-08-19 | 2021-10-26 | 陕西天璇涂层科技有限公司 | 一种两相钽酸钴陶瓷块体及其制备方法 |
| CN113563074A (zh) * | 2021-08-19 | 2021-10-29 | 陕西天璇涂层科技有限公司 | 一种两相钽酸钙陶瓷及其制备方法 |
-
2022
- 2022-04-28 CN CN202210470965.1A patent/CN114933477A/zh active Pending
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20090074604A1 (en) * | 2007-09-19 | 2009-03-19 | Industrial Technology Research Institute | Ultra-hard composite material and method for manufacturing the same |
| CN110078504A (zh) * | 2019-04-26 | 2019-08-02 | 清华大学 | 一种原位合成赝二元复相稀土铌酸盐陶瓷及其制备方法 |
| CN110698201A (zh) * | 2019-11-05 | 2020-01-17 | 湘潭大学 | 一种陶瓷及其制备方法 |
| CN111960837A (zh) * | 2020-08-28 | 2020-11-20 | 昆明理工大学 | 一种稀土钽酸盐或铌酸盐热障涂层的制备方法 |
| CN113416073A (zh) * | 2021-08-12 | 2021-09-21 | 昆明理工大学 | 一种多相组成的钽/铌酸盐复合陶瓷及其制备方法 |
| CN113548891A (zh) * | 2021-08-19 | 2021-10-26 | 陕西天璇涂层科技有限公司 | 一种两相钽酸钴陶瓷块体及其制备方法 |
| CN113563074A (zh) * | 2021-08-19 | 2021-10-29 | 陕西天璇涂层科技有限公司 | 一种两相钽酸钙陶瓷及其制备方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| JIATONG ZHU等: "Enhanced mechanical and thermal properties of ferroelastic high-entropy rare-earth-niobates", 《SCRIPTA MATERIALIA》 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116102920A (zh) * | 2022-09-07 | 2023-05-12 | 广西欧神诺陶瓷有限公司 | 一种隔热保温的油墨及其制备方法和应用 |
| CN116102920B (zh) * | 2022-09-07 | 2023-12-22 | 广西欧神诺陶瓷有限公司 | 一种隔热保温的油墨及其制备方法和应用 |
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