CN115894027A - 基于锆酸钆的高熵陶瓷热障涂层粉体及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于锆酸钆的高熵陶瓷热障涂层粉体及其制备方法和应用，涉及热障涂层材料技术领域。粉体按摩尔质量百分比计包括O：50～60％，Y：1～6％，Zr：15～20％，Sm：1～6％，Eu：1～6％，Gd：1～6％和Yb：1～6％。通过高熵工程对现有的锆酸钆体系进行改造，不同于以往单一或两种元素的掺杂改性，而是结合性能需求，选取多种稀土金属元素作为主元进行固溶，并最终得到一种元素分布均匀的多组分单相固溶体材料，进一步通过喷雾干燥工艺制备出球形度高、流动性好且粒度分布均匀的高熵陶瓷粉体，符合当前对新型高温热障涂层材料的需求及等离子喷涂热障涂层制备工艺要求。
Description
技术领域
本发明涉及热障涂层材料技术领域，具体而言，涉及一种基于锆酸钆的高熵陶瓷热障涂层粉体及其制备方法和应用。
背景技术
热障涂层具有优良的隔热性能，是航空发动机与重型燃气轮机热端部件关键高温防护材料。热障涂层一方面可以通过降低热端部件工作温度从而提高其服役寿命，另一方面可以通过提高燃气进口温度从而提高推重比与热效率。6～8wt.％氧化钇稳定氧化锆的涂层材料YSZ是目前使用最多的热障涂层陶瓷层材料，其具有优良的热物理性能和力学性能，但当长期服役温度高于1200℃时，YSZ会发生相变与烧结，并伴随有热物理性能和力学性能退化、应变容限降低和裂纹产生等问题，最终导致涂层与基体发生剥离、失效。随着航空发动机与重型燃气轮机技术的迅猛发展，燃气进口温度不断提高，作为传统热障涂层材料的YSZ已经难以满足当前的需求，因此亟需开发更耐高温的新型热障涂层材料。
锆酸钆(Gd2Zr2O7，GZO)是稀土锆酸盐的一种，在热障涂层、固体氧化物电池电解质等领域均有应用。GZO因具有较低的热导率、良好的高温稳定性以及优异的抗腐蚀性能成为人们一直所关注的热障涂层材料之一，是目前极具研究价值的超高温热障涂层陶瓷材料。与传统的YSZ相比，GZO尽管有着各种优良的特点，但是由于其较低的热膨胀系数以及较差的断裂韧性导致无法单独作为表面热障涂层。
目前，对GZO结构中的Gd位和Zr位进行不同稀土元素的掺杂是改善GZO陶瓷材料的热物理性和力学性能的有效方法。郭洪波等人用Yb3+代替GZO中的Gd3+得到(Gd1-xYbx)2Zr2O7(x＝0，0.1，0.3，0.5，0.7)，直径较小的Yb3+取代Gd3+会降低r(RE3+)/r(Zr4+)的值，导致结构的无序程度增大，减少声子平均自由程，从而降低热导率。万春雷等人采用化学共沉淀法制备了Gd2(Zr1-xTix)2O7(x＝0，0.1，0.2，0.3，0.4，0.5)陶瓷材料，当Ti4+取代Gd2Zr2O7中的Zr4+时，热膨胀系数值先升高，但随后又会由于烧绿石结构的长程有序而下降。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于锆酸钆的高熵陶瓷热障涂层粉体及其制备方法和应用。
本发明是这样实现的：
第一方面，本发明提供一种基于锆酸钆的高熵陶瓷热障涂层粉体，按摩尔质量百分比计包括O：50～60％，Y：1～6％，Zr：15～20％，Sm：1～6％，Eu：1～6％，Gd：1～6％和Yb：1～6％。
在可选的实施方式中，粉体的化学式为(Y0.2Sm0.2Eu0.2Gd0.2Yb0.2)2Zr2O7。
优选地，粉体的形状包括球状和圆环状。
在可选的实施方式中，粉体的粒径D50为25～26μm。
第二方面，本发明提供一种如前述实施方式任一项的基于锆酸钆的高熵陶瓷热障涂层粉体的制备方法，将Y、Zr、Sm、Eu、Gd和Yb的氧化物粉末按比例混合后进行球磨、喷雾干燥和煅烧。
在可选的实施方式中，煅烧包括第一次煅烧和第二次煅烧。
优选地，第一次煅烧温度为1400～1600℃，当第一次煅烧温度为1400～1500℃时，煅烧时间≥10h；当第一次煅烧温度为1500～1550℃时，煅烧时间为6～10h；第一次煅烧温度为1550～1600℃时，煅烧时间为2～6h。
优选地，第二次煅烧温度为500～700℃，煅烧时间1～2h。
在可选的实施方式中，在第一次煅烧和第二次煅烧之间使用喷雾干燥设备对第一次煅烧后的粉体进行造粒。
优选地，喷雾干燥设备的参数包括：固含量20～40％，分散剂6～10％PAA，粘结剂3～10％PVA，进口温度200～300℃，出口温度100～200℃，进料转速30～40rpm，喷雾转速2～8m3，气压1.0～3.0bar。
在可选的实施方式中，ZrO2粉末的粒径为0.2～1μm，质量纯度≥99.99％；稀土氧化物RE2O3粉末的粒径为5～10μm，质量纯度≥99.99％。
在可选的实施方式中，球磨为湿法球磨。
优选地，球磨介质为去离子水，球磨珠材质为ZrO2，球磨转速为300～400rpm，球磨时间为8～24h。
优选地，球磨后还包括将混合原料进行烘干，烘干温度为80～150℃，烘干时间10～16h。
在可选的实施方式中，球磨和煅烧后均对得到粉末过筛，筛网目数为200～300目。
第三方面，本发明提供了一种如前述实施方式任一项的基于锆酸钆的高熵陶瓷热障涂层粉体，或如前述实施方式任一项的制备方法制得的粉体在表面高温防护涂层领域的应用。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供了一种基于锆酸钆的高熵陶瓷热障涂层粉体及其制备方法和应用，通过高熵工程对现有的锆酸钆体系进行改造，不同于以往单一或两种元素的掺杂改性，而是结合性能需求，选取多种稀土金属元素作为主元进行固溶，并最终得到一种元素分布均匀的多组分单相固溶体材料，进一步通过喷雾干燥工艺制备出球形度高、流动性好且粒度分布均匀的烧绿石结构(Y0.2Sm0.2Eu0.2Gd0.2Yb0.2)2Zr2O7高熵陶瓷粉体，符合当前对新型高温热障涂层材料的需求及等离子喷涂热障涂层制备工艺要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例1提供的基于锆酸钆的高熵陶瓷热障涂层粉体的XRD图谱；
图2为本发明实施例1提供的基于锆酸钆的高熵陶瓷热障涂层粉体的SEM图和EDS图谱；
图3为本发明实施例1提供的基于锆酸钆的高熵陶瓷热障涂层粉体的粒度分布图；
图4为本发明对比例1、2与实施例3提供的基于锆酸钆的高熵陶瓷热障涂层粉体的XRD对比图谱。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
第一方面，本发明提供一种基于锆酸钆的高熵陶瓷热障涂层粉体，按摩尔质量百分比计包括O：50～60％，Y：1～6％，Zr：15～20％，Sm：1～6％，Eu：1～6％，Gd：1～6％和Yb：1～6％。
由于目前的YSZ热障涂层在长期服役温度高于1200℃时，会发生相变与烧结，并伴随有热物理性能和力学性能退化、应变容限降低和裂纹产生等问题，最终导致涂层与基体发生剥离、失效。且目前基于锆酸钆的热障涂层在热导率和热膨胀系数方面均不能取得较为满意的成效，因此发明人提出通过高熵工程对现有的锆酸钆体系进行改造，不同于以往单一或两种元素的掺杂改性，而是结合性能需求，选取多种稀土金属元素作为主元进行固溶，并最终得到一种元素分布均匀的多组分单相固溶体材料，符合当前对新型高温热障涂层材料的需求。
高熵工程是利用5种或5种以上的主元按等摩尔比或近等摩尔比固溶形成具有某种结构的高熵材料，这种多主元的单相固溶体具有较高的构型熵，在“四大核心效应”的作用下(高熵效应、迟滞扩散效应、晶格畸变效应、鸡尾酒效应)，通常表现出良好的高温稳定性、高热膨胀系数、低热导率以及良好的抗热震性能、抗钙镁铝硅酸盐(CMAS)性能等。
在可选的实施方式中，粉体的化学式为(Y0.2Sm0.2Eu0.2Gd0.2Yb0.2)2Zr2O7。
优选地，粉体的形状包括球状和圆环状。
在可选的实施方式中，粉体的粒径D50为25～26μm。
本发明基于锆酸钆体系，通过高熵工程设计出一种成分为(Y0.2Sm0.2Eu0.2Gd0.2Yb0.2)2Zr2O7的高熵陶瓷热障涂层粉体，其具有烧绿石结构，形貌表现为流动性较好的球状和圆环形的甜甜圈状颗粒，粒度分布均匀，适用于大气等离子喷涂(APS)，在热障涂层材料领域具有广阔的应用前景。
第二方面，本发明提供一种如前述实施方式任一项的基于锆酸钆的高熵陶瓷热障涂层粉体的制备方法，将Y、Zr、Sm、Eu、Gd和Yb的氧化物粉末按比例混合后进行球磨、喷雾干燥和煅烧。
其中Y、Zr、Sm、Eu、Gd和Yb的氧化物例如可以是Y2O3、Sm2O3、Eu2O3、Gd2O3、Yb2O3和ZrO2。
在可选的实施方式中，煅烧包括第一次煅烧和第二次煅烧。为了获得质量较佳的高熵陶瓷热障涂层粉体，煅烧的温度越高，煅烧的时间越短；反之煅烧的温度越低，煅烧的时间越长。但是煅烧的温度和时间变化取值都应该在本发明限定的范围内。
优选地，第一次煅烧温度为1400～1600℃，当第一次煅烧温度为1400～1500℃时，煅烧时间≥10h；当第一次煅烧温度为1500～1550℃时，煅烧时间为6～10h；第一次煅烧温度为1550～1600℃时，煅烧时间为2～6h。例如，第一次煅烧温度为1400℃、1450℃、1500℃、1550℃或1600℃；煅烧时间2h、4h、6h、8h、10h、12h或14h。
优选地，第二次煅烧温度为500～700℃，煅烧时间1～2h。例如，第二次煅烧温度为500℃、550℃、600℃、650℃或700℃；煅烧时间1h、1.2h、1.4h、1.6h、1.8h或2h。
在可选的实施方式中，在第一次煅烧和第二次煅烧之间使用喷雾干燥设备对第一次煅烧后的粉体进行造粒。
优选地，喷雾干燥设备的参数包括：固含量20～40％，分散剂为6～10％PAA，粘结剂为3～10％PVA，进口温度200～300℃，出口温度100～200℃，进料转速30～40rpm，喷雾转速2～8m3，气压1.0～3.0bar。
其中，固含量是指在喷雾干燥的过程中，需要将待处理粉末和分散剂粘结剂混合再进料，混合后的物质的固含量即为上述所要求的固含量，在本发明实施例中，固含量可以为20％、25％、30％、35％或40％。
较佳地，分散剂为6～10％的聚丙烯酸(PAA)，粘结剂为3～10％的聚乙烯醇(PVA)。
例如，喷雾干燥设备的进口温度可以为200℃、225℃、250℃、275℃或300℃；出口温度可以为100℃、125℃、150℃、175℃或200℃；进料转速可以为30rpm、32rpm、34rpm、36rpm、38rpm或40rpm；喷雾转速可以为2m3、3m3、4m3、5m3、6m3、7m3或8m3；气压可以为1.0bar、2.0bar或3.0bar。
目前绝大多数高熵陶瓷粉体由于存在球形度差、颗粒表面破损、粒径过小等问题，导致其流动性能较差而无法实现喷涂，仅能通过致密陶瓷块体的形式进行表征与性能测试，所得数据并不能代表涂层的实际性能。因此发明人提出采用两次煅烧，且在第二次煅烧之前对煅烧后的粉体进行造粒，制得的粉体具有球形度高、流动性好、粒度分布均匀以及各元素分布均匀等特点，然后在第二次煅烧的过程中，去除有机物杂质，制得的粉体适用于大气等离子喷涂(APS)。
在可选的实施方式中，为了保证制得的粉体纯度高、球形度佳，且不同原料之间分散均匀，需要控制原料的粒径和纯度，其中，ZrO2粉末的粒径为0.2～1μm，质量纯度≥99.99％；稀土氧化物RE2O3粉末的粒径为5～10μm，质量纯度≥99.99％。
在可选的实施方式中，球磨为湿法球磨。
优选地，球磨介质为去离子水，球磨珠材质为ZrO2，球磨转速为300～400rpm，球磨时间为8～24h。例如，球磨转速为300rpm、325rpm、350rpm、375rpm或400rpm；球磨时间为8h、10h、12h、14h、16h、18h、20h、22h或24h。
较佳地，球磨可以常采用聚氨酯球磨罐，球磨时将待处理粉体、球磨珠和球磨介质共同放入球磨罐中开始球磨。
优选地，球磨后还包括将混合原料进行烘干，烘干温度为80～150℃，烘干时间10～16h。例如，烘干温度为80℃、100℃、125℃或150℃；烘干时间为10h、12h、14h或16h。
较佳地，烘干可以采用鼓风机干燥箱烘干。
在可选的实施方式中，球磨和煅烧后均对得到粉末过筛，筛网目数为200～300目。
第三方面，本发明提供了一种如前述实施方式任一项的基于锆酸钆的高熵陶瓷热障涂层粉体，或如前述实施方式任一项的制备方法制得的粉体在表面高温防护涂层领域的应用。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供了一种基于锆酸钆的高熵陶瓷热障涂层粉体，其化学式为(Y0.2Sm0.2Eu0.2Gd0.2Yb0.2)2Zr2O7，其制备方法如下：
将稀土氧化物Y2O3、Sm2O3、Eu2O3、Gd2O3、Yb2O3和ZrO2的原始粉末与ZrO2粉末按摩尔比1:1:1:1:1:5加入到行星球磨机中，加入和ZrO2球磨珠，在行星球磨机上以300rpm的转速球磨混合10h得到料浆。
其中，稀土氧化物的粒径均为5μm，纯度均为99.99wt.％；ZrO2的粒径为0.2μm，纯度为99.99wt.％。
将上述料浆放入鼓风干燥箱中，以110℃干燥12h直至完全烘干。将烘干的料浆放入陶瓷研钵中研磨、过300目筛网，得到混合充分的未煅烧粉体。
将未煅烧粉体装入氧化铝坩埚，然后置于马弗炉内，在1600℃下保温2h，再次研磨、过300目筛网，得到一次煅烧粉体。
按照40％固含量的一次煅烧粉体、6％的PAA溶液和3％的PVA溶液配制悬浮液，通过喷雾干燥机进行二次造粒，得到团聚粉体。
其中，喷雾干燥机的进口温度240℃，出口温度120℃，进料转速35rpm，喷雾转速5.2m3，气压2.0bar。
将团聚粉体在700℃下保温2h，去除有机物杂质，最终得到(Y0.2Sm0.2Eu0.2Gd0.2Yb0.2)2Zr2O7高熵陶瓷热障涂层粉体，其粉体粒径D50为25.6μm。
将实施例1制得的高熵陶瓷热障涂层粉体分别置于X射线衍射仪、扫描电子显微镜上分析，得到如图1、图2和图3所示结果。由图1～图3可知，高熵陶瓷热障涂层粉体的化学式为(Y0.2Sm0.2Eu0.2Gd0.2Yb0.2)2Zr2O7，粉体的粒径分布均匀，且球形度较佳，在热障涂层材料领域具有广阔的应用前景。
实施例2
本实施例提供了一种基于锆酸钆的高熵陶瓷热障涂层粉体，其化学式为(Y0.2Sm0.2Eu0.2Gd0.2Yb0.2)2Zr2O7，其制备方法如下：
将稀土氧化物Y2O3、Sm2O3、Eu2O3、Gd2O3、Yb2O3和ZrO2的原始粉末与ZrO2粉末按摩尔比1:1:1:1:1:5加入到行星球磨机中，加入和ZrO2球磨珠，在行星球磨机上以300rpm的转速球磨混合10h得到料浆。
其中，稀土氧化物的粒径均为5μm，纯度均为99.99wt.％；ZrO2的粒径为0.2μm，纯度为99.99wt.％。
将上述料浆放入鼓风干燥箱中，以110℃干燥12h直至完全烘干。将烘干的料浆放入陶瓷研钵中研磨、过300目筛网，得到混合充分的未煅烧粉体。
将未煅烧粉体装入氧化铝坩埚，然后置于马弗炉内，在1550℃下保温6h，再次研磨、过300目筛网，得到一次煅烧粉体。
按照40％固含量的一次煅烧粉体、6％的PAA溶液和3％的PVA溶液配制悬浮液，通过喷雾干燥机进行二次造粒，得到团聚粉体。
其中，喷雾干燥机的进口温度240℃，出口温度120℃，进料转速35rpm，喷雾转速5.2m3，气压2.0bar。
将团聚粉体在700℃下保温2h，去除有机物杂质，最终得到(Y0.2Sm0.2Eu0.2Gd0.2Yb0.2)2Zr2O7高熵陶瓷热障涂层粉体。
实施例3
本实施例提供了一种基于锆酸钆的高熵陶瓷热障涂层粉体，其化学式为(Y0.2Sm0.2Eu0.2Gd0.2Yb0.2)2Zr2O7，其制备方法如下：
将稀土氧化物Y2O3、Sm2O3、Eu2O3、Gd2O3、Yb2O3和ZrO2的原始粉末与ZrO2粉末按摩尔比1:1:1:1:1:5加入到行星球磨机中，加入和ZrO2球磨珠，在行星球磨机上以300rpm的转速球磨混合10h得到料浆。
其中，稀土氧化物的粒径均为5μm，纯度均为99.99wt.％；ZrO2的粒径为0.2μm，纯度为99.99wt.％。
将上述料浆放入鼓风干燥箱中，以110℃干燥12h直至完全烘干。将烘干的料浆放入陶瓷研钵中研磨、过300目筛网，得到混合充分的未煅烧粉体。
将未煅烧粉体装入氧化铝坩埚，然后置于马弗炉内，在1500℃下保温10h，再次研磨、过300目筛网，得到一次煅烧粉体。
按照40％固含量的一次煅烧粉体、6％的PAA溶液和3％的PVA溶液配制悬浮液，通过喷雾干燥机进行二次造粒，得到团聚粉体。
其中，喷雾干燥机的进口温度240℃，出口温度120℃，进料转速35rpm，喷雾转速5.2m3，气压2.0bar。
将团聚粉体在700℃下保温2h，去除有机物杂质，最终得到(Y0.2Sm0.2Eu0.2Gd0.2Yb0.2)2Zr2O7高熵陶瓷热障涂层粉体。
对比例1
本对比例提供了一种基于锆酸钆的高熵陶瓷热障涂层粉体，其制备方法与实施例3相似，区别仅在于第一次煅烧时间降低为8h，得到如图4所示结果。如图4所示，XRD谱线在29度附近出现凸起，表明粉体中出现杂相，未完全固溶，未形成高熵粉体。
对比例2
本对比例提供了一种基于锆酸钆的高熵陶瓷热障涂层粉体，其制备方法与实施例3相似，区别仅在于一次煅烧时间进一步降低为6h，得到如图4所示结果。如图4所示，XRD谱线在29度附近凸起更为显著，表明粉体中杂相进一步增多，固溶情况进一步劣化，未形成高熵粉体。
本发明提供了一种基于锆酸钆的高熵陶瓷热障涂层粉体及其制备方法和应用，其至少具有以下优点：
本发明基于锆酸钆体系，通过高熵工程设计出一种成分为(Y0.2Sm0.2Eu0.2Gd0.2Yb0.2)2Zr2O7的高熵陶瓷热障涂层粉体，其具有烧绿石结构，形貌表现为流动性较好的球状和圆环形的甜甜圈状颗粒，粒度分布均匀，适用于大气等离子喷涂(APS)，在热障涂层材料领域具有广阔的应用前景。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于锆酸钆的高熵陶瓷热障涂层粉体，其特征在于，按摩尔质量百分比计包括O：50～60％，Y：1～6％，Zr：15～20％，Sm：1～6％，Eu：1～6％，Gd：1～6％和Yb：1～6％。
2.根据权利要求1所述的基于锆酸钆的高熵陶瓷热障涂层粉体，其特征在于，所述粉体的化学式为(Y0.2Sm0.2Eu0.2Gd0.2Yb0.2)2Zr2O7；
优选地，所述粉体的形状包括球状和圆环状。
3.根据权利要求1所述的基于锆酸钆的高熵陶瓷热障涂层粉体，其特征在于，所述粉体的粒径D50为25～26μm。
4.一种如权利要求1～3任一项所述的基于锆酸钆的高熵陶瓷热障涂层粉体的制备方法，其特征在于，将Y、Zr、Sm、Eu、Gd和Yb的氧化物粉末按比例混合后进行球磨、喷雾干燥和煅烧。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，煅烧包括第一次煅烧和第二次煅烧；
优选地，所述第一次煅烧温度为1400～1600℃，当第一次煅烧温度为1400～1500℃时，煅烧时间≥10h；当第一次煅烧温度为1500～1550℃时，煅烧时间为6～10h；第一次煅烧温度为1550～1600℃时，煅烧时间为2～6h；
优选地，所述第二次煅烧温度为500～700℃，煅烧时间1～2h。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在第一次煅烧和第二次煅烧之间使用喷雾干燥设备对第一次煅烧后的粉体进行造粒；
优选地，所述喷雾干燥设备的参数包括：固含量20～40％，分散剂6～10％PAA，粘结剂3～10％PVA，进口温度200～300℃，出口温度100～200℃，进料转速30～40rpm，喷雾转速2～8m3，气压1.0～3.0bar。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，ZrO2粉末的粒径为0.2～1μm，质量纯度≥99.99％；稀土氧化物RE2O3粉末的粒径为5～10μm，质量纯度≥99.99％。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，球磨为湿法球磨；
优选地，球磨介质为去离子水，球磨珠材质为ZrO2，球磨转速为300～400rpm，球磨时间为8～24h；
优选地，球磨后还包括将混合原料进行烘干，烘干温度为80～150℃，烘干时间10～16h。
9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述球磨和煅烧后均对得到粉末过筛，筛网目数为200～300目。
10.一种如权利要求1～3任一项所述的基于锆酸钆的高熵陶瓷热障涂层粉体，或如权利要求4～9任一项所述的制备方法制得的粉体在表面高温防护涂层领域的应用。
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Citations (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110041061A (zh) * | 2019-05-17 | 2019-07-23 | 淄博星澳新材料研究院有限公司 | 多元固溶稀土硅酸盐陶瓷粉体及其制备方法 |
| CN110272278A (zh) * | 2019-05-17 | 2019-09-24 | 东华大学 | 热障涂层用高熵陶瓷粉体及其制备方法 |
| CN111777413A (zh) * | 2020-07-16 | 2020-10-16 | 哈尔滨工业大学 | 一种等离子喷涂用纳米锆酸钆粉体的制备方法及应用 |
| CN112358293A (zh) * | 2020-11-26 | 2021-02-12 | 广东省科学院新材料研究所 | 热障涂层用粉末、其制备方法和应用以及具有热障涂层的复合材料 |
| CN113023776A (zh) * | 2021-03-10 | 2021-06-25 | 上海交通大学 | 一种热障涂层用萤石结构高熵氧化物粉体及其制备方法 |
| CN114000089A (zh) * | 2021-10-11 | 2022-02-01 | 上海交通大学 | 一种利用aps技术制备的高熵氧化物超高温热障涂层及其方法 |
| CN114149260A (zh) * | 2021-12-14 | 2022-03-08 | 内蒙古工业大学 | 一种低热导率高熵陶瓷热障涂层材料 |
| CN114230339A (zh) * | 2022-01-17 | 2022-03-25 | 北京理工大学 | 一种稀土钽酸盐高熵陶瓷材料及其制备方法和应用 |
| CN114956818A (zh) * | 2022-01-21 | 2022-08-30 | 昆明理工大学 | 一种低热导率高熵铈酸盐陶瓷材料及其制备方法 |
| CN115043659A (zh) * | 2021-03-09 | 2022-09-13 | 通用电气公司 | 高熵陶瓷热障涂层 |
| CN115124339A (zh) * | 2022-07-29 | 2022-09-30 | 中钢集团洛阳耐火材料研究院有限公司 | 多元素高熵掺杂氧化锆基陶瓷材料及其制备方法和应用 |
| CN115925417A (zh) * | 2022-10-24 | 2023-04-07 | 南京航空航天大学 | 一种低热导抗cmas腐蚀高熵锆酸盐陶瓷材料及其制备方法与应用 |
| CN116354734A (zh) * | 2023-03-22 | 2023-06-30 | 中国地质大学（武汉） | 一种抗烧结的高熵稀土锆酸盐热障涂层材料及其制备方法 |
-
2022
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Patent Citations (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110041061A (zh) * | 2019-05-17 | 2019-07-23 | 淄博星澳新材料研究院有限公司 | 多元固溶稀土硅酸盐陶瓷粉体及其制备方法 |
| CN110272278A (zh) * | 2019-05-17 | 2019-09-24 | 东华大学 | 热障涂层用高熵陶瓷粉体及其制备方法 |
| CN111777413A (zh) * | 2020-07-16 | 2020-10-16 | 哈尔滨工业大学 | 一种等离子喷涂用纳米锆酸钆粉体的制备方法及应用 |
| CN112358293A (zh) * | 2020-11-26 | 2021-02-12 | 广东省科学院新材料研究所 | 热障涂层用粉末、其制备方法和应用以及具有热障涂层的复合材料 |
| CN115043659A (zh) * | 2021-03-09 | 2022-09-13 | 通用电气公司 | 高熵陶瓷热障涂层 |
| CN113023776A (zh) * | 2021-03-10 | 2021-06-25 | 上海交通大学 | 一种热障涂层用萤石结构高熵氧化物粉体及其制备方法 |
| CN114000089A (zh) * | 2021-10-11 | 2022-02-01 | 上海交通大学 | 一种利用aps技术制备的高熵氧化物超高温热障涂层及其方法 |
| CN114149260A (zh) * | 2021-12-14 | 2022-03-08 | 内蒙古工业大学 | 一种低热导率高熵陶瓷热障涂层材料 |
| CN114230339A (zh) * | 2022-01-17 | 2022-03-25 | 北京理工大学 | 一种稀土钽酸盐高熵陶瓷材料及其制备方法和应用 |
| CN114956818A (zh) * | 2022-01-21 | 2022-08-30 | 昆明理工大学 | 一种低热导率高熵铈酸盐陶瓷材料及其制备方法 |
| CN115124339A (zh) * | 2022-07-29 | 2022-09-30 | 中钢集团洛阳耐火材料研究院有限公司 | 多元素高熵掺杂氧化锆基陶瓷材料及其制备方法和应用 |
| CN115925417A (zh) * | 2022-10-24 | 2023-04-07 | 南京航空航天大学 | 一种低热导抗cmas腐蚀高熵锆酸盐陶瓷材料及其制备方法与应用 |
| CN116354734A (zh) * | 2023-03-22 | 2023-06-30 | 中国地质大学（武汉） | 一种抗烧结的高熵稀土锆酸盐热障涂层材料及其制备方法 |
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