CN115594500B - 一种双稀土铌酸盐陶瓷粉体及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种双稀土铌酸盐陶瓷粉体及其制备方法和应用,属于热障涂层技术领域。首先将NbCl5的水溶液、La(NO3)3的乙醇溶液与RE(NO3)3的乙醇溶液混合,溶液加热后加入氨水进行反应,得到凝胶胶体,再将凝胶胶体进行煅烧,生成双稀土铌酸盐陶瓷粉体。双稀土铌酸盐陶瓷粉体的化学式为(La1‑xREx)3NbO7,其中0.3≤x≤0.5,所述双稀土铌酸盐陶瓷粉体的粒径为20~60nm。利用本发明所制备的双稀土铌酸盐陶瓷粉体采用大气等离子喷涂可制得双稀土铌酸盐陶瓷涂层,能够与低熔点氧化物快速反应在表面形成致密的反应生成物,从而防止低熔点氧化物向陶瓷涂层内部进一步渗透。
Description
技术领域
本发明涉及热障涂层技术领域,尤其涉及一种双稀土铌酸盐陶瓷粉体及其制备方法和应用。
背景技术
热障涂层又称隔热涂层,主要应用于航空发动机和燃气轮机,起到隔热、降低涂层与合金基体间的热失配的作用,从而保护航空发动机高温区域零部件。因此,热障涂层需具有良好的热力学性能,例如低的热导率、高的热膨胀系数以及高温稳定性等。
目前,被广泛使用的热障涂层材料是氧化钇稳定氧化锆,该YSZ的热导率相对较高不利于金属部件热防护,并且在1200℃以上的环境中会发生相变和烧结,容易导致涂层出现裂纹和剥落现象。因此,传统的YSZ热障涂层难以满足越来越先进的高推比航空发动机对热障涂层的要求,发展新一代高温热障涂层显得十分必要。新型陶瓷涂层材料除了满足高工作温度、低热导率和高热膨胀系数的性能要求外,其抗低熔点氧化物CaO-MgO-AlO1.5-SiO2-FeO1.5腐蚀也是关键。由于火山喷发和沙尘暴等原因,大气中含有大量的上述氧化物,航空发动机在运行过程中能够融化上述氧化物从而腐蚀高温叶片表面的陶瓷涂层。因此,如何制备出低热导率、高热膨胀系数和具有优异的抗低熔点氧化物腐蚀的陶瓷涂层,是一项需要亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双稀土铌酸盐陶瓷粉体及其制备方法和应用,以解决现有技术中热障涂层热导率高、热膨胀系数低,不能应用于高推比航空发动机的技术问题。
为了实现上述发明目的,本发明提供以下技术方案:
本发明提供了一种双稀土铌酸盐陶瓷粉体的制备方法,包括以下步骤:
(1)将NbCl5的水溶液、La(NO3)3的乙醇溶液与RE(NO3)3的乙醇溶液混合,得到混合溶液;
(2)将混合溶液加热后加入氨水进行反应,反应过程中pH值为6~8,得到凝胶胶体;
(3)将凝胶胶体进行煅烧,生成双稀土铌酸盐陶瓷粉体;
所述步骤(3)中煅烧的温度为1300~1500℃,煅烧的时间为10~20h。
进一步的,所述步骤(1)中NbCl5、La(NO3)3和RE(NO3)3的摩尔比为1:3-3x:3x其中0.3≤x≤0.5;所述RE为Y、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Yb和Lu中的一种。
进一步的,所述NbCl5的水溶液的浓度为0.02~0.04g/mL;La(NO3)3的乙醇溶液的浓度为0.03~0.08g/mL;RE(NO3)3的乙醇溶液的浓度为0.02~0.05g/mL。
进一步的,所述步骤(2)中混合溶液加热后的温度为40~60℃。
进一步的,所述步骤(2)中氨水的浓度为8~12g/mL。
进一步的,所述步骤(2)中反应的时间为3~5h。
进一步的,所述步骤(3)中凝胶胶体在进行煅烧前用水洗涤后再用乙醇洗涤两遍,最后进行干燥。
进一步的,所述干燥的温度为60~100℃,干燥的时间为8~12h。
本发明提供了一种双稀土铌酸盐陶瓷粉体,所述双稀土铌酸盐陶瓷粉体的化学式为(La1-xREx)3NbO7,其中0.3≤x≤0.5,所述双稀土铌酸盐陶瓷粉体的粒径为20~60nm。
本发明还提供了一种双稀土铌酸盐陶瓷粉体的应用,采用大气等离子喷涂制得双稀土铌酸盐陶瓷涂层;
所述大气等离子喷涂过程中的参数为:喷枪功率为20~28kW,喷枪距离为200~300mm,氩气气体流量为5~12slpm、氢气气体流量为5~12slpm、进料速度为20~30g/min、喷枪速度为500~600mm/s、喷涂时间为2~5min。
本发明的有益效果:
(1)本发明通过溶液法制备的纳米陶瓷粉体可以直接应用于大气等离子喷涂,省去了喷雾造粒的步骤,有效减少了工艺流程,提高了生产效率。
(2)本发明采用NbCl5、La(NO3)3和RE(NO3)3为原料制备双稀土铌酸盐(La1-xREx)3NbO7陶瓷粉体,因为La元素是所有稀土元素中与低熔点氧化物反应最剧烈、形成的生成物体积最大且热膨胀系数与基底的铌酸盐陶瓷最接近的材料,本发明所制备的陶瓷粉体中较高的La含量能够使陶瓷表面快速形成大面积且稳定存在的生成物,第二种稀土元素的引入,在防止铌酸盐完全与低熔点氧化物反应而导致涂层失效方面具有重要作用。
(3)本发明制备的双稀土铌酸盐陶瓷粉体,采用大气等离子喷涂技术能够有效造孔,涂层中孔隙的直径小于1微米,分布均匀,较高的孔隙率能够有效降低涂层材料的热导率,提高热障涂层的隔热降温效果,还能提高材料的应变容忍能力,延长涂层的服役寿命。
(4)采用大气等离子喷涂技术制备的双稀土铌酸盐陶瓷涂层,具有较高的孔隙率并且孔隙均匀分布在涂层表面,能够有效扩大低熔点氧化物CaO-MgO-AlO1.5-SiO2-FeO1.5与陶瓷涂层的接触面积,有利于在陶瓷表面快速形成致密的生成物层,最终可以有效阻碍低熔点氧化物进一步向内渗透。
附图说明
图1为实施例1~5制备的涂层材料XRD衍射图;
图2是实施例1和对比例1制备的涂层晶粒尺寸和气孔大小SEM图;
图3是实施例1和对比例1的低熔点氧化物腐蚀结果截面图。
具体实施方式
本发明提供了一种双稀土铌酸盐陶瓷粉体的制备方法,包括以下步骤:
(1)将NbCl5的水溶液、La(NO3)3的乙醇溶液与RE(NO3)3的乙醇溶液混合,得到混合溶液;
(2)将混合溶液加热后,加入氨水进行反应,反应过程中pH值为6~8,得到凝胶胶体;
(3)将凝胶胶体进行煅烧,生成双稀土铌酸盐陶瓷粉体;
在本发明中,所述步骤(1)中NbCl5、La(NO3)3和RE(NO3)3的摩尔比为1:3-3x:3x,其中0.3≤x≤0.5,优选为0.35≤x≤0.45,进一步优选为0.4;所述RE为Y、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Yb和Lu中的一种,优选为RE为Y、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho和Er中的一种,进一步优选为RE为Y、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd和Dy中的一种。
在本发明中,所述NbCl5的水溶液的浓度为0.02~0.04g/mL,优选为0.02~0.03g/mL,进一步优选为0.03g/mL;La(NO3)3的乙醇溶液的浓度为0.03~0.08g/mL,优选为0.05~0.07g/mL,进一步优选为0.05g/mL;RE(NO3)3的乙醇溶液的浓度为0.02~0.05g/mL,优选为0.03~0.04g/mL,进一步优选为0.04g/mL。
在本发明中,所述步骤(2)中混合溶液加热后的温度为40~60℃,优选为45~55℃,进一步优选为50℃。
在本发明中,所述步骤(2)中氨水的浓度为8~12g/mL,优选为9~11g/mL,进一步优选为10g/mL。
在本发明中,所述氨水的添加量以控制反应过程中pH值为6~8为准,优选的,pH值为7。
在本发明中,所述步骤(2)中反应的时间为3~5h,优选为3.5~4.5h,进一步优选为4h。
在本发明中,所述步骤(3)中凝胶胶体在进行煅烧前优选用水洗涤后再用乙醇洗涤两遍,最后进行干燥。
在本发明中,所述干燥的温度为60~100℃,优选为65~95℃,进一步优选为70~90℃;干燥的时间为8~12h,优选为9~11h,进一步优选为10h。
在本发明中,所述步骤(3)中煅烧的温度为1300~1500℃,优选为1350~1450℃,进一步优选为1400℃;煅烧的时间为10~20h,优选为12~18h,进一步优选为14~16h。
本发明提供了一种双稀土铌酸盐陶瓷粉体,所述双稀土铌酸盐陶瓷粉体的化学式为(La1-xREx)3NbO7,其中0.3≤x≤0.5,优选为0.35≤x≤0.45,进一步优选为0.4;所述双稀土铌酸盐陶瓷粉体的粒径为20~60nm,优选为30~50nm,进一步优选为40~45nm。
本发明还提供了一种双稀土铌酸盐陶瓷粉体的应用,采用大气等离子喷涂制得双稀土铌酸盐陶瓷涂层;
所述大气等离子喷涂过程中的参数为:喷枪功率为20~28kW,优选为22~26kW,进一步优选为24kW;喷枪距离为200~300mm,优选为220~280mm,进一步优选为240~260mm;氩气气体流量为5~12slpm,优选为6~11slpm,进一步优选为7~10slpm;氢气气体流量为5~12slpm,优选为6~11slpm,进一步优选为7~10slpm;进料速度为20~30g/min,优选为22~28g/min,进一步优选为24~26g/min;喷枪速度为500~600mm/s,优选为520~580mm/s,进一步优选为540~560mm/s;喷涂时间为2~5min,优选为4min。
下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细的说明,但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
将0.05g/mL的La(NO3)3乙醇溶液、0.04g/mL的Y(NO3)3乙醇溶液和0.03g/mL的NbCl5的水溶液混合后加热到40℃,滴加浓度为8g/mL的氨水进行反应,反应过程中溶液的pH值为7,得到的凝胶胶体用水洗涤一遍再用乙醇洗涤两遍,随后置于箱式炉中在60℃温度下干燥10h,最后在1300℃条件下煅烧10小时,得到(La0.7Y0.3)3NbO7双稀土铌酸盐陶瓷粉体,粉体粒径为40nm。
将(La0.7Y0.3)3NbO7陶瓷粉体进行大气等离子喷涂,具体参数为:喷枪功率为20kW,喷枪距离为250mm,氩气和氢气的气体流量分别为5slpm、5slpm,进料速度为20g/min,喷枪速度为600mm/s,喷涂时间为2min,得到的陶瓷涂层的孔隙率为8%、气孔直径小于1微米。
实施例2
将0.07g/mL的La(NO3)3乙醇溶液、0.03g/mL的Nd(NO3)3乙醇溶液和0.04g/mL的NbCl5的水溶液混合后加热到60℃,滴加浓度为12g/mL的氨水进行反应,反应过程中溶液的pH值为8,得到的凝胶胶体用水洗涤一遍再用乙醇洗涤两遍,随后置于箱式炉中在100℃温度下干燥12h,最后在1500℃条件下煅烧20小时,得到(La0.5Nd0.5)3NbO7双稀土铌酸盐陶瓷粉体,粉体粒径为60nm。
将(La0.5Nd0.5)3NbO7陶瓷粉体进行大气等离子喷涂,具体参数为:喷枪功率为28kW,喷枪距离为250mm,氩气和氢气的气体流量分别为10slpm、10slpm,进料速度为22g/min,喷枪速度为500mm/s,喷涂时间为3min,得到的陶瓷涂层的孔隙率为12%、气孔直径小于1微米。
实施例3
将0.03g/mL的La(NO3)3乙醇溶液、0.02g/mL的Sm(NO3)3乙醇溶液和0.02g/mL的NbCl5的水溶液混合后加热到50℃,滴加浓度为10g/mL的氨水进行反应,反应过程中溶液的pH值为6,得到的凝胶胶体用水洗涤一遍再用乙醇洗涤两遍,随后置于箱式炉中在80℃温度下干燥10h,最后在1350℃条件下煅烧15小时,得到(La0.6Sm0.4)3NbO7双稀土铌酸盐陶瓷粉体,粉体粒径为20nm。
将(La0.6Sm0.4)3NbO7陶瓷粉体进行大气等离子喷涂,具体参数为:喷枪功率为26kW,喷枪距离为250mm,氩气和氢气的气体流量分别为5slpm、5slpm,进料速度为23g/min,喷枪速度为560mm/s,喷涂时间为4min,得到的陶瓷涂层的孔隙率为10%、气孔直径小于1微米。
实施例4
将0.08g/mL的La(NO3)3乙醇溶液、0.05g/mL的Gd(NO3)3乙醇溶液和0.04g/mL的NbCl5的水溶液混合后加热到45℃,滴加浓度为9g/mL的氨水进行反应,反应过程中溶液的pH值为6.5,得到的凝胶胶体用水洗涤一遍再用乙醇洗涤两遍,随后置于箱式炉中在70℃温度下干燥11h,最后在1420℃条件下煅烧16小时,得到(La0.65Gd0.35)3NbO7双稀土铌酸盐陶瓷粉体,粉体粒径为50nm。
将(La0.65Gd0.35)3NbO7陶瓷粉体进行大气等离子喷涂,具体参数为:喷枪功率为24kW,喷枪距离为250mm,氩气和氢气的气体流量分别为5slpm、5slpm,进料速度为30g/min,喷枪速度为570mm/s,喷涂时间为5min,得到的陶瓷涂层的孔隙率为11%、气孔直径小于1微米。
实施例5
将0.06g/mL的La(NO3)3乙醇溶液、0.04g/mL的Dy(NO3)3乙醇溶液和0.03g/mL的NbCl5的水溶液混合后加热到55℃,滴加浓度为11g/mL的氨水进行反应,反应过程中溶液的pH值为7.5,得到的凝胶胶体用水洗涤一遍再用乙醇洗涤两遍,随后置于箱式炉中在90℃温度下干燥9h,最后在1480℃条件下煅烧19小时,得到(La0.58Dy0.42)3NbO7双稀土铌酸盐陶瓷粉体,粉体粒径为40nm。
将(La0.58Dy0.42)3NbO7陶瓷粉体进行大气等离子喷涂,具体参数为:喷枪功率为23kW,喷枪距离为250mm,氩气和氢气的气体流量分别为5slpm、5slpm,进料速度为26g/min,喷枪速度为535mm/s,喷涂时间为3min,得到的陶瓷涂层的孔隙率为9%、气孔直径小于1微米。
实施例6
将0.07g/mL的La(NO3)3乙醇溶液、0.05g/mL的Yb(NO3)3乙醇溶液和0.04g/mL的NbCl5的水溶液混合后加热到40℃,滴加浓度为10g/mL的氨水进行反应,反应过程中溶液的pH值为7,得到的凝胶胶体用水洗涤一遍再用乙醇洗涤两遍,随后置于箱式炉中在95℃温度下干燥8h,最后在1460℃条件下煅烧12小时,得到(La0.5Yb0.5)3NbO7双稀土铌酸盐陶瓷粉体,粉体粒径为50nm。
将(La0.5Yb0.5)3NbO7陶瓷粉体进行大气等离子喷涂,具体参数为:喷枪功率为28kW,喷枪距离为250mm,氩气和氢气的气体流量分别为5slpm、5slpm,进料速度为28g/min,喷枪速度为563mm/s,喷涂时间为5min,得到的陶瓷涂层的孔隙率为8%、气孔直径小于1微米。
实施例7
将0.06g/mL的La(NO3)3乙醇溶液、0.02g/mL的Lu(NO3)3乙醇溶液和0.03g/mL的NbCl5的水溶液混合后加热到55℃,滴加浓度为8g/mL的氨水进行反应,反应过程中溶液的pH值为7.5,得到的凝胶胶体用水洗涤一遍再用乙醇洗涤两遍,随后置于箱式炉中在65℃温度下干燥9h,最后在1350℃条件下煅烧17小时,得到(La0.54Lu0.46)3NbO7双稀土铌酸盐陶瓷粉体,粉体粒径为50nm。
将(La0.54Lu0.46)3NbO7陶瓷粉体进行大气等离子喷涂,具体参数为:喷枪功率为26kW,喷枪距离为250mm,氩气和氢气的气体流量分别为5slpm、5slpm,进料速度为25g/min,喷枪速度为500~600mm/s,喷涂时间为2min,得到的陶瓷涂层的孔隙率为12%、气孔直径小于1微米。
实施例8
将0.05g/mL的La(NO3)3乙醇溶液、0.04g/mL的Eu(NO3)3乙醇溶液和0.03g/mL的NbCl5的水溶液混合后加热到50℃,滴加浓度为12g/mL的氨水进行反应,反应过程中溶液的pH值为7,得到的凝胶胶体用水洗涤一遍再用乙醇洗涤两遍,随后置于箱式炉中在100℃温度下干燥12h,最后在1330℃条件下煅烧18小时,得到(La0.62Eu0.38)3NbO7双稀土铌酸盐陶瓷粉体,粉体粒径为30nm。
将(La0.62Eu0.38)3NbO7陶瓷粉体进行大气等离子喷涂,具体参数为:喷枪功率为20kW,喷枪距离为250mm,氩气和氢气的气体流量分别为5slpm、5slpm,进料速度为20g/min,喷枪速度为571mm/s,喷涂时间为4min,得到的陶瓷涂层的孔隙率为11%、气孔直径小于1微米。
为了研究上述参数对陶瓷材料性能的影响,本申请设置了对比例1~6的实验,其主要与实施例1进行对比:
对比例1与实施例1的区别在于,用于喷涂的粉体是高温固相法烧结得到的粒径为20~60μm的陶瓷粉体,产生的效果为陶瓷涂层中孔隙的直径为1-5微米,极大的气孔使得低熔点氧化物直接通过孔隙进入涂层内部导致涂层失效,无法在其表面形成致密的生成物防止涂层进一步失效。
对比例2与实施例1的区别在于,Y的含量x值为0.9;使得最终涂层中La含量较少,无法形成足够的生成物在陶瓷涂层表面阻碍低熔点氧化物的进一步渗透反应,导致涂层失效;
对比例3与实施例1的区别在于,Y的含量x值为0.1;使得最终涂层中La含量过多,低熔点氧化物几乎与陶瓷涂层完全反应,将涂层消耗完,导致涂层失效;
对比例4与实施例1的区别在于,煅烧温度为1000℃;导致制造的双稀土铌酸盐物相不存,其主要为YNbO4和La3NbO7的混合物,其中YNbO4的抗低熔点氧化物腐蚀性能差;
对比例5与实施例1的区别在于,煅烧温度为1800℃;温度过高导致纳米粉体团聚形成微米级别粉体,最终产生的效果与对比例1一致;
对比例6与实施例1的区别在于,喷涂功率为40kW;使得制备的涂层气孔率极低仅为2%,无法达到提高涂层与低熔点氧化物反应面积从而快速形成致密生成物层阻挡进一步渗透反应的作用,导致涂层失效。
致密度检测:采用阿基米德排水法对实施例1~8和对比例1~6制得的陶瓷块体进行测量,结果显示实施例1~8的陶瓷涂层气孔率为8~12%,能够有效提高涂层与低熔点氧化物接触面积快速反应形成致密生成物层,阻碍反应和渗透的进一步进行。
采用X射线衍射仪对实施例1~5得到的陶瓷涂层进行检测,确定材料的物相结构结果如图1所示,可以看到所有材料均为单相的结构,形成了RE3NbO7型的正交相材料,无第二相的产生。
采用扫描电镜对实施例1和对比例1得到的陶瓷块体进行检测。实施例1得到的双稀土铌酸盐陶瓷,晶粒大小均匀,晶界清晰,各个晶粒之内或者之间没有看到第二相的存在。而对比例1得到的陶瓷涂层中含有较多的气孔,尤其是对比例1制得的陶瓷块体内,除了较多的气孔外,其气孔直径是微米级别的,气孔直径大导致低熔点氧化物熔体会沿着孔洞直接渗透进入陶瓷内部导致涂层失效。从图2中可以看到实施例1制备的陶瓷涂层表面晶粒和气孔尺寸均为纳米级别,且气孔均匀分布,而对比例1中陶瓷涂层内气孔直径极大,使得低熔点氧化物熔体能够直接通过孔洞向内渗透反应导致涂层失效。
将低熔点氧化物CaO-MgO-AlO1.5-SiO2-FeO1.5按照原子比为31:9:12:43:9进行球磨混料干燥后获得其均匀的混合物,随后根据15mg/cm2的质量将粉体均匀铺设在陶瓷涂层表面,将其在1300℃保温12小时,随后且试样切开,从截面观察低熔点氧化物(CMAS)对材料的腐蚀深度,深度越大则说明材料的抗腐蚀性能越差。图3是实施例1和对比例1的低熔点氧化物腐蚀结果截面图,可以都看到实施例1中CMAS与基底RE3NbO7陶瓷之间形成致密反应层,阻碍了腐蚀的进一步进行,而对比例1中则被完全腐蚀失效,说明本发明方案制备的陶瓷涂层具有优异的抗CMAS腐蚀性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种双稀土铌酸盐陶瓷涂层的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)将NbCl5的水溶液、La(NO3)3的乙醇溶液与RE(NO3)3的乙醇溶液混合,得到混合溶液;
(2)将混合溶液加热后加入氨水进行反应,反应过程中pH值为6~8,得到凝胶胶体;
(3)将凝胶胶体进行煅烧,生成双稀土铌酸盐陶瓷粉体;
所述步骤(1)中NbCl5、La(NO3)3和RE(NO3)3的摩尔比为1:3-3x:3x,其中0.3≤x≤0.5;所述RE为Y、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Yb和Lu中的一种;
所述步骤(2)中混合溶液加热后的温度为40~60℃;
所述步骤(2)中反应的时间为3~5h;
所述步骤(3)中煅烧的温度为1300~1500℃,煅烧的时间为10~20h;
所述双稀土铌酸盐陶瓷粉体的粒径为20~60nm;
将上述双稀土铌酸盐陶瓷粉体采用大气等离子喷涂制得双稀土铌酸盐陶瓷涂层;
所述大气等离子喷涂过程中的参数为:喷枪功率为20~28kW,喷枪距离为200~300mm,氩气气体流量为5~12slpm、氢气气体流量为5~12slpm、进料速度为20~30g/min、喷枪速度为500~600mm/s、喷涂时间为2~5min。
2.根据权利要求1所述一种双稀土铌酸盐陶瓷涂层的制备方法,其特征在于,所述NbCl5的水溶液的浓度为0.02~0.04g/mL;La(NO3)3的乙醇溶液的浓度为0.03~0.08g/mL;RE(NO3)3的乙醇溶液的浓度为0.02~0.05g/mL。
3.根据权利要求1所述一种双稀土铌酸盐陶瓷涂层的制备方法,其特征在于,所述步骤(2)中氨水的浓度为8~12g/mL。
4.根据权利要求1~3任意一项所述一种双稀土铌酸盐陶瓷涂层的制备方法,其特征在于,所述步骤(3)中凝胶胶体在进行煅烧前用水洗涤后再用乙醇洗涤两遍,最后进行干燥。
5.根据权利要求4所述一种双稀土铌酸盐陶瓷涂层的制备方法,其特征在于,所述干燥的温度为60~100℃,干燥的时间为8~12h。
6.权利要求1~5任意一项所述方法所制备的双稀土铌酸盐陶瓷涂层,其特征在于,所述双稀土铌酸盐陶瓷涂层的化学式为(La1-xREx)3NbO7,其中0.3≤x≤0.5。
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