專利名稱：一種陶瓷復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種陶瓷復(fù)合材料及其制備方法，具體地說，涉及一種AJ2O7-C陶瓷復(fù)合材料及其制備方法，屬于新材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來熱障涂層技術(shù)廣泛應(yīng)用于各種高溫?zé)釞C，如燃氣輪機或噴氣機的轉(zhuǎn)子或定子葉片的表面，發(fā)動機燃燒室內(nèi)壁，汽油或柴油機燃燒室內(nèi)壁，火箭噴管或其他一些高溫燃燒器內(nèi)壁。熱障涂層材料要求具有高熔點、低熱導(dǎo)率、相對高的熱膨脹系數(shù)、高溫相穩(wěn)定以及低燒結(jié)收縮率等特點。目前廣泛使用的熱障涂層材料主要是7 Swt %的^O3部分穩(wěn)定 &02(簡稱YSZ)，這種熱障涂層材料存在的問題是，在高于1200°C下長時間循環(huán)使用過程中，^O2會發(fā)生相變，相變過程伴有一定的體積膨脹，致使熱障涂層中應(yīng)力產(chǎn)生，導(dǎo)致熱障涂層壽命降低。在尋找傳統(tǒng)YSZ的替代材料過程中，具有燒綠石結(jié)構(gòu)的AJ2O7陶瓷材料由于具有較低的熱導(dǎo)率、較高的使用溫度以及良好的高溫化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點，成為新型熱障涂層陶瓷層候選材料。然而，眾多研究表明A2B2O7陶瓷材料在800°C以上時，由于光子導(dǎo)熱作用的增強導(dǎo)致其熱導(dǎo)率出現(xiàn)回升現(xiàn)象。A2B2O7陶瓷材料在高溫下呈現(xiàn)半透明狀態(tài)，此時由該材料制備的熱障涂層對熱輻射的阻隔能力下降，且熱輻射會促進熱障涂層燒結(jié)，從而降低熱障涂層的隔熱能力，使熱障涂層不能滿足更高溫度的使用需求。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)中A2B2O7陶瓷材料在高溫下由于光子導(dǎo)熱作用導(dǎo)致其熱導(dǎo)率升高， 使該材料制備的熱障涂層不能滿足高溫使用需求的缺陷，本發(fā)明的目的之一在于提供一種陶瓷復(fù)合材料，所述陶瓷復(fù)合材料為A2B2O7-C陶瓷復(fù)合材料，具有低光子熱導(dǎo)率、高溫下化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。本發(fā)明的目的之二在于提供一種本發(fā)明所述陶瓷復(fù)合材料的制備方法。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的?！N陶瓷復(fù)合材料，所述陶瓷復(fù)合材料為A2B2O7-C陶瓷復(fù)合材料，其中，A為稀土 JtM Sc、Y、La, Nd、Eu、Gd、Dy、Er、Yb ^ Lu, B ^ Zr、Hf、Ce ^Ti, 0 SiO2, SiC, MoSi2 PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)；C在所述陶瓷復(fù)合材料中作為第二相材料存在，以陶瓷復(fù)合材料的體積分數(shù)為100%計，C的體積分數(shù)> 0%且彡15%，C的粒徑為1 35 μ m。所述陶瓷復(fù)合材料的熱導(dǎo)率在1400°C下為0. 7 1. 4ff/m · K。所述陶瓷復(fù)合材料的組織致密度> 99. 7%。一種本發(fā)明所述的陶瓷復(fù)合材料的制備方法，所述方法步驟如下(1)選取純度彡99%的&0(12 ·8Η20和純度彡99%的稀土氧化物為原料，采用化學(xué)共沉淀法制備得到AJ2O7粉體；其中，所述稀土氧化物為Sc2O3> Y2O3> La203> Nd203> Eu203> Gd203> Dy203> Er203> Yb2O3 或Lu2O3 ο(2)將第二相材料C摻入步驟⑴制備得到的A2B2O7粉體，混合均勻制備得到 A2B2O7-C復(fù)合粉體；其中，第二相材料C的純度> 99% ；優(yōu)選采用球磨機進行球磨混合。(3)將步驟⑵制備得到的A^2O7-C復(fù)合粉體在1200 1600°C，惰性氣體保護下燒結(jié)20 60min ；得到本說明所述的一種陶瓷復(fù)合材料。其中，優(yōu)選步驟(3)用熱壓燒結(jié)法對步驟(2)制備得到的A^2O7-C復(fù)合粉體進行燒結(jié)，燒結(jié)時控制升溫速度彡IO0C /min，在1250 1400°C，20 80Mpa，惰性氣體保護下燒結(jié) 20 60min。所述化學(xué)共沉淀法為本領(lǐng)域制備A2B2O7稀土氧化物粉體陶瓷材料的常規(guī)方法。有益效果1.本發(fā)明提供的一種陶瓷復(fù)合材料，在A2B2O7陶瓷材料基體中添加第二相材料C， C可以穩(wěn)定地存在于A2B2O7陶瓷材料基體中，由于C的引入大大增強了 AJ2O7陶瓷材料基體中光子的散射作用，導(dǎo)致光子的平均自由程減小，從而使得本發(fā)明所述A2B2O7-C陶瓷復(fù)合材料具有較低的光子熱導(dǎo)率；在1400°C下，所述A2B2O7-C陶瓷復(fù)合材料的熱導(dǎo)率為1. 0 1. 4ff/m · K，高溫化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定且組織致密度彡99.7% ；2.本發(fā)明提供的一種陶瓷復(fù)合材料，選擇使用的A^2O7陶瓷材料基體和第二相材料C都具有較高的熔點，且高溫下兩種材料不會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，具有良好的高溫化學(xué)穩(wěn)定性；3.本發(fā)明提供的一種陶瓷復(fù)合材料，可用于制備高溫燃氣輪機、渦輪噴氣發(fā)動機等高溫?zé)釞C用低光子導(dǎo)熱的熱障涂層，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛；4.本發(fā)明提供的一種陶瓷復(fù)合材料的制備方法，所述方法工藝簡單，適宜工業(yè)推
具體實施例方式下面通過實例對本發(fā)明作進一步詳細說明。實施例1 4制備得到的陶瓷復(fù)合材料的組織致密度采用排水法測量，熱導(dǎo)率采用激光脈沖法測量。實施例1 4中所述的化學(xué)共沉淀法中，根據(jù)各實施例中欲制備的^化07粉體配比稱量原料，其余步驟同文獻劉玲，徐強，朱時珍，張紅松，王富恥.(Gda4SmaJbai)2Zr2O7粉體的共沉淀及sol-gel合成[J],稀有金屬材料與工程，2008，37 (增刊2) :362-364.中的實施例1(1)選取純度為99. 9%的&0C12 · 8H20和純度為99%的Lei2O3為原料，采用化學(xué)共沉淀法合成LaJr2O7粉體。(2)將純度為99. 9%，粒徑為1 μ m的MoSi2以10%的體積分數(shù)摻入步驟⑴所制備的LaJr2O7粉體中，得到混合粉體；利用行星球磨機將混合粉體進行4小時的球磨混合， 球料比為4 1，球磨速度為400r/min，得到MoSi2在Lii2Zr2O7中均勻分布的LiiJr2O7-MoSi2 復(fù)合粉體。
(3)將步驟(2)制備的LaJr2O7-M0Si2復(fù)合粉體裝入熱壓燒結(jié)模具，置于熱壓燒結(jié)爐中，升溫速度為5°C /min，在1250°C施加壓力80Mpa，氬氣保護氣氛下，熱壓燒結(jié)60min， 然后隨爐冷卻，獲得粒徑為1 μ m,體積分數(shù)為10%的MoSi2摻雜LaJr2O7基陶瓷復(fù)合材料， 即Li^r2O7-MoSi2陶瓷復(fù)合材料，所述陶瓷復(fù)合材料的組織致密度為99. 78%，1400°C下的熱導(dǎo)率為0. 7ff/m · K。實施例2(1)選取純度為99. 9%的&0C12 · 8H20和純度為99%的Gd2O3為原料，采用化學(xué)共沉淀法合成GdJr2O7粉體。(2)將純度為99. 9%，粒徑為15 μ m的SiC以15%的體積分數(shù)摻入步驟(1)所制備的GdJr2O7粉體中，得到混合粉體；利用行星球磨機將混合粉體進行6小時的球磨混合， 球料比為4 1，球磨速度為400r/min，得到SiC在Gd2Zr2O7中均勻分布的Gd2Zr2O7-SiC復(fù)合粉體。(3)將步驟⑵制備的Gd2Zr2O7-SiC復(fù)合粉體裝入熱壓燒結(jié)模具，置于熱壓燒結(jié)爐中，升溫速度為8°C /min，在1400°C施加壓力30Mpa，氬氣保護氣氛下，熱壓燒結(jié)30min，然后隨爐冷卻，獲得粒徑為15 μ m，體積分數(shù)為15%的SiC摻雜GdJr2O7基陶瓷復(fù)合材料，即 Gd2Zr2O7-SiC陶瓷復(fù)合材料，所述陶瓷復(fù)合材料的組織致密度為99. 80%，1400°C下的熱導(dǎo)率為 1. lff/m · K。實施例3(1)選取純度為99. 9%的&0C12 · 8H20和純度為99%的Dy2O3為原料，采用化學(xué)共沉淀法合成DyJr2O7粉體。(2)將純度為99. 9%，粒徑為35 μ m的SiO2以2%的體積分數(shù)摻入步驟(1)所制備的DyJr2O7粉體中，得到混合粉體；利用行星球磨機將混合粉體進行6小時的球磨混合， 球料比為4 1，球磨速度為400r/min，得到SiO2在Dy2Zr2O7中均勻分布的DyJr2O7-SiR復(fù)合粉體。(3)將步驟⑵制備的Dy2Zr2O7-SiA復(fù)合粉體裝入熱壓燒結(jié)模具，置于熱壓燒結(jié)爐中，升溫速度為10°C /min，在1400°C施加壓力20Mpa，氬氣保護氣氛下，熱壓燒結(jié)30min， 然后隨爐冷卻，獲得粒徑為35 μ m、體積分數(shù)為2%的SiO2摻雜DyJr2O7基陶瓷復(fù)合材料，即 Dy2Zr2O7-SiO2陶瓷復(fù)合材料，所述陶瓷復(fù)合材料的組織致密度為99. 76%，1400°C下的熱導(dǎo)率為 1. 25ff/m · K。實施例4(1)選取純度為99. 9%的&0C12 · 8H20和純度為99%的Lei2O3為原料，采用化學(xué)共沉淀法合成LaJr2O7粉體。(2)將純度為99. 9 %，粒徑為10 μ m的PMMA以5 %的體積分數(shù)摻入步驟(1)所制備的LaJr2O7粉體中，得到混合粉體；利用行星球磨機將上述混合粉體進行4小時的球磨混合，球料比為4 1，球磨速度為400r/min，得到PMMA在LaJr2O7中均勻分布的 La2Zr2O7-PMMA 復(fù)合粉體。(3)將步驟⑵制備的I^2Zr2O7-PMMA復(fù)合粉體裝入熱壓燒結(jié)模具，置于熱壓燒結(jié)爐中，升溫速度為10°c /min，在1300°C施加壓力40Mpa，氬氣保護氣氛下，熱壓燒結(jié)60min， 然后隨爐冷卻，獲得粒徑為10 μ m,體積分數(shù)為5%的PMMA摻雜LaJr2O7基陶瓷復(fù)合材料，即LaJr2O7-PMMA陶瓷復(fù)合材料，所述陶瓷復(fù)合材料的組織致密度為99. 9%，1400°C下的熱導(dǎo)率為1. 4ff/m · K。 本發(fā)明包括但不限于以上實施例，凡是在本發(fā)明的精神和原則之下進行的任何等同替換或局部改進，都將視為在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種陶瓷復(fù)合材料，其特征在于所述陶瓷復(fù)合材料為A2B2O7-C陶瓷復(fù)合材料，其 A ^ Sc、Y、La、Nd、Eu、Gd、Dy、Er、Yb ^ Lu, B ^ Zr, Hf, Ce ^Ti, C 為 SiO2, SiC、MoSi2或PMMA ；以所述陶瓷復(fù)合材料的體積分數(shù)為100%計，C的體積分數(shù)> 0%且彡15%, C的粒徑為1 35 μ m。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種陶瓷復(fù)合材料，其特征在于所述陶瓷復(fù)合材料的熱導(dǎo)率在 1400°C下為 0. 7 1. 4ff/m · K。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種陶瓷復(fù)合材料，其特征在于所述陶瓷復(fù)合材料的組織致密度彡99. 7%0
4.一種如權(quán)利要求1 3任一項所述的陶瓷復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述方法步驟如下(1)選取純度彡99%的&0C12·8Η20和純度彡99%的稀土氧化物為原料，采用化學(xué)共沉淀法制備得到AJ2O7粉體；(2)將C摻入所述AJ2O7粉體，混合均勻制得AJ2O7-C復(fù)合粉體；(3)將所述A2B2O7-C復(fù)合粉體在1200 1600°C，惰性氣體保護下燒結(jié)20 60min，得到一種陶瓷復(fù)合材料；其中，步驟(1)所述稀土氧化物為 Sc203、Y2O3> La203> Nd203、Eu2O3> Gd2O3> Dy2O3> Er2O3> Yb2O3 或 Lu2O3 ；步驟O)中所述的C的純度彡99%。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種陶瓷復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟O)中采用球磨機進行球磨混合。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種陶瓷復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟(3)中用熱壓燒結(jié)法對步驟(2)制得的A2B2O7-C復(fù)合粉體進行燒結(jié)，燒結(jié)時控制升溫速度< 10°C / min，在1250 1400°C, 20 80Mpa，惰性氣體保護下燒結(jié)20 60min。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種陶瓷復(fù)合材料及其制備方法，所述材料為A2B2O7-C陶瓷復(fù)合材料，A為Sc、Y、La、Nd、Eu、Gd、Dy、Er、Yb或Lu，B為Zr、Hf、Ce或Ti，C為SiO2、SiC、MoSi2或PMMA；C的體積分數(shù)＞0％且≤15％，粒徑為1～35μm；該材料光子熱導(dǎo)率低且高溫化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。所述方法為將純度≥99％的ZrOCl2·8H2O和稀土氧化物用化學(xué)共沉淀法制得A2B2O7粉體；將純度≥99％的C摻入A2B2O7粉體混合得到A2B2O7-C復(fù)合粉體；將A2B2O7-C復(fù)合粉體在1200～1600℃，惰性氣體下燒結(jié)20～60min，得到所述材料；工藝簡單，適宜工業(yè)推廣。
文檔編號C04B35/622GK102515717SQ20111043628
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月22日
發(fā)明者劉玲, 孫英超, 王富恥, 馬壯 申請人:北京理工大學(xué)