本發(fā)明涉及熱障/環(huán)境障涂層材料制備，尤其涉及一種高熵稀土鉭酸鹽陶瓷納米粉體的低溫制備方法。

背景技術(shù)：

1、近年來，隨著航空發(fā)動機向高流量比、高推重比和高進(jìn)口溫度的方向發(fā)展，發(fā)動機熱端部件面臨著越來越嚴(yán)苛和復(fù)雜的服役環(huán)境。高熵稀土鉭酸鹽(retao4)作為新一代熱障涂層得到了廣泛的研究，而高熵稀土鉭酸鹽粉末對其涂層的合成具有重要意義。

2、鑒于熱障/環(huán)境障涂層材料在航空發(fā)動機防護方面的重要性，世界各國的許多研究人員一直致力于熱障/環(huán)境障涂層材料的開發(fā)。氧化釔穩(wěn)定氧化鋯(ysz)是目前研究最多、應(yīng)用最廣的一類熱障涂層材料，其主要的優(yōu)勢在于：(1)具有較高的熔點(約為2700℃)；(2)較高的熱膨脹系數(shù)(11.0×10-6k-1)；(3)在不超過1170℃時具有較好的相穩(wěn)定性；(4)在中低溫下具有相變增韌效應(yīng)，使其具有優(yōu)異的力學(xué)性能。然而，ysz也存在一些缺點：高溫相穩(wěn)定性差，在高于1200℃時，7～8ysz的相結(jié)構(gòu)會從四方相轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎较啵瑫r伴隨著3％～5％的體積膨脹，導(dǎo)致陶瓷層和粘結(jié)層之間的應(yīng)力增大。在冷卻過程中，四方相又會向單斜相轉(zhuǎn)變，并伴隨體積的變化，造成涂層開裂失效。目前，高熵稀土鉭酸鹽retao4陶瓷材料已成為熱障涂層研究的重點材料，由于其具有高熔點、低熱導(dǎo)率、高熱膨脹系數(shù)、良好的熱學(xué)性能和力學(xué)性能，被認(rèn)為是最具潛力的新一代熱障涂層材料。近年來，“高熵”已成為材料研究領(lǐng)域的一個熱門方向，即通過引入較高的構(gòu)型熵來開發(fā)具有優(yōu)良性能的新材料?；诟哽夭牧系?種核心效應(yīng)：即熱力學(xué)的高熵效應(yīng)、結(jié)構(gòu)的晶格畸變效應(yīng)、動力學(xué)的遲滯擴散效應(yīng)、性能的“雞尾酒”效應(yīng)，高熵陶瓷材料具有較高的熔點、硬度、高溫斷裂韌性和較低的熱導(dǎo)率等優(yōu)點，使得單元陶瓷材料的綜合性能得到進(jìn)一步優(yōu)化。納米粉體可提供大量晶界，從而降低熱導(dǎo)率，提高力學(xué)性能。然而，現(xiàn)有技術(shù)中，高熵稀土鉭酸鹽的制備需要較高的合成溫度(1200℃以上)和較長的煅燒時間(6h以上)，且獲得的粉體材料存在成分分布不均勻、材料顆粒粒度大、成分控制不精準(zhǔn)的技術(shù)問題。因此，優(yōu)化其制備工藝和材料性能是目前亟待解決的重要問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于一種高熵稀土鉭酸鹽陶瓷納米粉體的低溫制備方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的一種高熵稀土鉭酸鹽陶瓷納米粉體的低溫制備方法，包括如下步驟：

3、(1)將y(no3)3-6h2o、yb(no3)3-5h2o、er(no3)3-6h2o、ho(no3)3-6h2o、gd(no3)3-5h2o、c10h25o5ta溶解于溶劑中，獲得混合溶液a；

4、(2)將c6h10o8溶解于混合溶液a中，獲得溶液b；

5、(3)向溶液b中滴加一定量的(ch2oh)2，獲得溶液c；

6、(4)將溶液c進(jìn)行加熱并快速攪拌，直至溶液c變成粘稠狀液體；待液c變成粘稠狀液體后減慢攪拌速度進(jìn)行低速攪拌，直至開始發(fā)泡形成濕凝膠；

7、(5)將形成的濕凝膠進(jìn)行干燥獲得干凝膠；

8、(6)將進(jìn)行干凝膠進(jìn)行加熱反應(yīng)后獲得高熵稀土鉭酸鹽陶瓷納米粉體。

9、具體地，針對現(xiàn)有的高熵稀土鉭酸鹽熱障/環(huán)境障涂層材料通過傳統(tǒng)原位固相反應(yīng)法導(dǎo)致粉體顆粒較大，合成溫度高，成分分布不均，從而影響進(jìn)一步提升稀土高熵鉭酸鹽鹽熱障/環(huán)境障涂層材料的熱導(dǎo)率和力學(xué)性能，提出采用溶膠-凝膠法合成高熵稀土鉭酸鹽，并通過相較于原位固相反應(yīng)法更低的合成溫度和煅燒時間，得到具有納米尺寸的新型熱障/環(huán)境障涂層材料。通過采用工藝簡單、煅燒溫度低、煅燒時間短、成分均勻、顆粒為納米尺寸的溶膠-凝膠法來制備高熵稀土鉭酸鹽納米粉體。所制備的高熵稀土鉭酸鹽納米粉體可具備成分分布均勻，具有納米尺寸顆粒的優(yōu)點，作為涂層材料可為高溫合金基體提供長時間的有效保護，在熱障/環(huán)境障涂層材料領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

10、優(yōu)選地，步驟(1)中所述y(no3)3-6h2o、yb(no3)3-5h2o、er(no3)3-6h2o、ho(no3)3-6h2o、gd(no3)3-5h2o、c10h25o5ta的摩爾比為0.1～0.3:0.1～0.3:0.1～0.3:0.1～0.3:0.1～0.3:1。

11、具體地，y(no3)3-6h2o、yb(no3)3-5h2o、er(no3)3-6h2o、ho(no3)3-6h2o、gd(no3)3-5h2o、c10h25o5ta的純度均≥99％。

12、具體地，低熱膨脹系數(shù)復(fù)合陶瓷材料由y3+、yb3+、er3+、ho3+、gd3+以及ta5+含有這六種物質(zhì)的硝酸鹽和醇鹽為原料制備而成。

13、優(yōu)選地，步驟(1)中所述y(no3)3-6h2o、yb(no3)3-5h2o、er(no3)3-6h2o、ho(no3)3-6h2o、gd(no3)3-5h2o、c10h25o5ta的摩爾數(shù)之和：溶劑＝1:9～11mol/ml；溶劑為純度≥99％的無水乙醇。

14、優(yōu)選地，步驟(2)中所述c6h10o8與混合溶液a的摩爾比為3～4：1。

15、優(yōu)選地，步驟(3)中所述y(no3)3-6h2o、yb(no3)3-5h2o、er(no3)3-6h2o、ho(no3)3-6h2o、gd(no3)3-5h2o、c10h25o5ta的摩爾數(shù)之和：(ch2oh)2＝1:2～3mol/ml。

16、具體地，c6h10o8、(ch2oh)2的純度均≥99％。

17、優(yōu)選地，步驟(4)中所述加熱溫度為70～80℃；所述快速攪拌為進(jìn)行磁力快速攪拌，磁力快速攪拌的轉(zhuǎn)速為300～400轉(zhuǎn)/分；所述低速攪拌為進(jìn)行磁力低速攪拌，磁力低速攪拌的轉(zhuǎn)速為60～80轉(zhuǎn)/分。

18、優(yōu)選地，步驟(5)中所述干燥為于140～170℃溫度下干燥8～10h。

19、具體地，濕凝膠為焦糖色粘稠溶液，發(fā)泡后溶液上方產(chǎn)生白色泡沫。

20、優(yōu)選地，步驟(6)中所述低溫加熱反應(yīng)的反應(yīng)溫度為600-900℃，反應(yīng)時間為1～1.5h。

21、優(yōu)選地，步驟(6)中所述高熵稀土鉭酸鹽陶瓷納米粉體的顆粒尺寸為200nm。

22、上述技術(shù)方案中的優(yōu)點或有益效果至少包括：

23、(1)本發(fā)明通過采用溶膠-凝膠法為制備方法，通過煅燒干凝膠直接制備得到低合成溫度高熵稀土鉭酸鹽陶瓷納米粉體；該制備方法工藝簡單、合成溫度低、煅燒時間短、對設(shè)備要求低，便于大規(guī)模的推廣應(yīng)用。

24、(2)本發(fā)明的低合成溫度高熵稀土鉭酸鹽陶瓷納米粉體，具有納米尺寸顆粒、成分分布均勻、具有更多晶界有利于進(jìn)一步降低熱導(dǎo)率和提升力學(xué)性能的優(yōu)點，作為熱障/環(huán)境障涂層材料時可進(jìn)一步提升涂層性能。

技術(shù)特征：

1.一種高熵稀土鉭酸鹽陶瓷納米粉體的低溫制備方法，其特征在于：包括如下步驟：

2.如權(quán)利要求1所述的高熵稀土鉭酸鹽陶瓷納米粉體的低溫制備方法，其特征在于，步驟(1)中所述y(no3)3-6h2o、yb(no3)3-5h2o、er(no3)3-6h2o、ho(no3)3-6h2o、gd(no3)3-5h2o、c10h25o5ta的摩爾比為0.1～0.3:0.1～0.3:0.1～0.3:0.1～0.3:0.1～0.3:1。

3.如權(quán)利要求1所述的高熵稀土鉭酸鹽陶瓷納米粉體的低溫制備方法，其特征在于，步驟(1)中所述y(no3)3-6h2o、yb(no3)3-5h2o、er(no3)3-6h2o、ho(no3)3-6h2o、gd(no3)3-5h2o、c10h25o5ta的摩爾數(shù)之和：溶劑＝1:9～11mol/ml；溶劑為純度≥99％的無水乙醇。

4.如權(quán)利要求1所述的高熵稀土鉭酸鹽陶瓷納米粉體的低溫制備方法，其特征在于，步驟(2)中所述c6h10o8與混合溶液a的摩爾比為3～4：1。

5.如權(quán)利要求1所述的高熵稀土鉭酸鹽陶瓷納米粉體的低溫制備方法，其特征在于，步驟(3)中所述y(no3)3-6h2o、yb(no3)3-5h2o、er(no3)3-6h2o、ho(no3)3-6h2o、gd(no3)3-5h2o、c10h25o5ta的摩爾數(shù)之和：(ch2oh)2＝1:2～3mol/ml。

6.如權(quán)利要求1所述的高熵稀土鉭酸鹽陶瓷納米粉體的低溫制備方法，其特征在于，步驟(4)中所述加熱溫度為70～80℃；所述快速攪拌為進(jìn)行磁力快速攪拌，磁力快速攪拌的轉(zhuǎn)速為300～400轉(zhuǎn)/分；所述低速攪拌為進(jìn)行磁力低速攪拌，磁力低速攪拌的轉(zhuǎn)速為60～80轉(zhuǎn)/分。

7.如權(quán)利要求1所述的高熵稀土鉭酸鹽陶瓷納米粉體的低溫制備方法，其特征在于，步驟(5)中所述干燥為于140～170℃溫度下干燥8～10h。

8.如權(quán)利要求1所述的高熵稀土鉭酸鹽陶瓷納米粉體的低溫制備方法，其特征在于，步驟(6)中所述低溫加熱反應(yīng)的反應(yīng)溫度為600～900℃，反應(yīng)時間為1～1.5h。

9.如權(quán)利要求1所述的高熵稀土鉭酸鹽陶瓷納米粉體的低溫制備方法，其特征在于，步驟(6)中所述高熵稀土鉭酸鹽陶瓷納米粉體的顆粒尺寸為50-100納米。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種高熵稀土鉭酸鹽陶瓷納米粉體的低溫制備方法，涉及熱障/環(huán)境障涂層材料技術(shù)領(lǐng)域。包括將含Y<supgt;3+</supgt;、Yb<supgt;3+</supgt;、Er<supgt;3+</supgt;、Ho<supgt;3+</supgt;、Gd<supgt;3+</supgt;及Ta<supgt;5+</supgt;物質(zhì)溶解于溶劑中，得到混合溶液A；將C<subgt;6</subgt;H<subgt;10</subgt;O<subgt;8</subgt;溶解于混合溶液A中，獲得溶液B；向溶液B中滴加(CH<subgt;2</subgt;OH)<subgt;2</subgt;，獲得溶液C；將溶液C進(jìn)行加熱并快速攪拌，直至溶液C變成粘稠狀液體；待液C變成粘稠狀液體后進(jìn)行低速攪拌，直至開始發(fā)泡形成濕凝膠；將濕凝膠進(jìn)行干燥獲得干凝膠；將進(jìn)行干凝膠進(jìn)行加熱反應(yīng)后獲得高熵稀土鉭酸鹽陶瓷納米粉體。本發(fā)明通過采用稀土硝酸鹽和乙醇鉭為原料，通過溶膠?凝膠反應(yīng)法直接制備得到高熵稀土鉭酸鹽陶瓷納米粉體，具有成分分布均勻、合成納米級別顆粒、成分控制精準(zhǔn)、合成溫度較低的優(yōu)點。

技術(shù)研發(fā)人員：趙子樊,張澤天,阮子揚,吳鵬,利建雨,馮晶
受保護的技術(shù)使用者：昆明理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15