專利名稱：一種氧化物陶瓷InFeZnO4熱障涂層材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于新材料技術(shù)領(lǐng)域，特別是提供一種氧化物陶瓷Mi^aiO4熱障涂層材料及其制備方法，涉及到球磨、冷壓和固態(tài)反應(yīng)工藝。
背景技術(shù)：
熱障涂層(Thermal barrier coatings，TBCs)主要是利用陶瓷的隔熱和抗腐蝕的特點(diǎn)來保護(hù)金屬材料部件，應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)上，不僅可以提高油料的燃燒效率，而且可以極大地延長發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命，在航空、航天、海面船舶、大型火力發(fā)電和汽車動(dòng)力等方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值，是現(xiàn)代國防尖端技術(shù)領(lǐng)域中的重要技術(shù)之一[見參考文獻(xiàn)1N. P. Padture, M. Gell, and Ε. H. Jordan, Science, 4[5566] 280-4 (2003) ] 熱障涂層材料的選擇需要滿足以下基本要求高熔點(diǎn)、在升溫過程中無相變發(fā)生、低熱導(dǎo)率以及和基體金屬部件相吻合的低熱膨脹系數(shù)[見參考文獻(xiàn)2X. Q. Cao, R. Vassen, and D. Stoever, J. Eur. Ceram. Soc. ,24[l]l-10(2004)]o近來研發(fā)和投入應(yīng)用的最好的熱障涂層材料是氧化釔穩(wěn)定化的氧化鋯(YSZ)，其熱導(dǎo)率在700°C溫度下約為2.0W/mK[見參考文獻(xiàn)3D.R.Clarke，and S. R. PhilIpot，Mater. Today, 8 [6] 22-9 (2005)]。稀土元素氧化鋯熱障涂層材料可以表示為LnJr2O7 (Ln為稀土元素)，其晶體結(jié)構(gòu)主要是燒綠石或缺陷螢石型結(jié)構(gòu)，稀土元素氧化鋯具有很好的熱物理性能。稀土元素氧化鋯具有比氧化釔穩(wěn)定化的氧化鋯更低的熱導(dǎo)率， 約為 1. 1 到 1. 2W/mK[見參考文獻(xiàn)4J.mi，X· Ζ. Wei, N. P. Padture,P. G.Klemens，M. Gell, and E. Garcia, J. Am. Ceram. Soc. , 85 [12] 3031-5 (2002) ] 然而，稀土元素氧化鋯卻表現(xiàn)為很低的熱膨脹系數(shù)，低的熱膨脹系數(shù)會(huì)導(dǎo)致涂層材料和金屬基體的熱應(yīng)力[見參考文獻(xiàn)5Z. H. Xu, L. M. He, X. H. Zhong, R. D. Mu, G. H. Huang, and X. Q. Cao, App 1. Surf. Sci., 256[11]3661-8(2010)]。然而，對于氧化釔穩(wěn)定化的氧化鋯陶瓷材料由于燒結(jié)阻力和相結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性限制了其只能在1200°C應(yīng)用[見參考文獻(xiàn)6E. R. Andrievskaya, J. Eur. Ceram. Soc.，28[12]2363-8W2008)]?；谝陨戏治?，開發(fā)一種性能穩(wěn)定、低熱導(dǎo)、適中熱膨脹系數(shù)和容易制備的熱障涂層材料顯得尤為重要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種氧化物陶瓷Mi^aiO4熱障涂層材料及其制備方法， 所提供的氧化物陶瓷Mi^aiO4熱障涂層材料性能穩(wěn)定，具有低熱導(dǎo)和適中熱膨脹系數(shù)，并且容易制備。本發(fā)明以M2O3(純度為99.9% )，！^e2O3(純度為99.99% )和SiO(純度為 99. 99% )為原料，通過混合均勻后進(jìn)行冷壓，采用固態(tài)反應(yīng)法燒結(jié)制備Mi^aiO4氧化物陶
ο本發(fā)明提供的氧化物陶瓷Mi^aiO4熱障涂層材料的制備方法，具體制備方法流程如下1、采用 In2O3 (純度為 99. 9% )，!^e2O3(純度為 99. 99% )和 SiO(純度為 99. 99% ) 粉末作為初始原料，按In2O3 Fe2O3 ZnO = 1 1 m摩爾比配料，其中，1彡m彡5。
2、將上述的初始原料放入球磨罐進(jìn)行均勻混合，球磨轉(zhuǎn)速為100 500rpm，時(shí)間為 15min 96h。3、將混合均勻的粉末，裝入直徑為10 20mm的鋼制模具中進(jìn)行冷壓，壓力為 100 250MPa，壓制成圓片。4、將冷壓成型后的圓片，放在BeO坩堝中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1100 1300°C，保溫時(shí)間為48 240小時(shí)，升溫速度為40 180°C每小時(shí)，最后得到Li^aiO4塊體材料。將Mi^a1O4的氧化物陶瓷塊體材料切割后，用砂紙進(jìn)行表面打磨，進(jìn)行熱物理性能測試，主要包括熱擴(kuò)散系數(shù)，比熱，失重，差熱和熱膨脹系數(shù)。根據(jù)以上測得數(shù)據(jù)，通過熱導(dǎo)率(熱擴(kuò)散系數(shù)，比熱和測試密度三者的乘積)和熱膨脹系數(shù)等評價(jià)材料的性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，上述制得的材料可以達(dá)到低熱導(dǎo)率、適中的熱膨脹系數(shù)和較好的熱穩(wěn)定性，滿足現(xiàn)有高溫?zé)嵴贤繉硬牧鲜切阅苄枨?。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于(1)與其他熱障涂層材料相比，原料成本低；(2)熱導(dǎo)率低、膨脹系數(shù)適中、熱穩(wěn)定性好，燒結(jié)過程中無相變產(chǎn)生；(3)合成和成型的工藝簡便。


圖1為本發(fā)明制備的Li^aiO4的粉末χ射線衍射圖；圖2為本發(fā)明制備的Mi^aiO4的塊體材料的熱導(dǎo)率隨溫度的變化關(guān)系；圖3為本發(fā)明制備的Mi^aiO4的塊體材料的熱膨脹系數(shù)隨溫度的變化關(guān)系。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。本發(fā)明提供一種氧化物陶瓷Mi^aiO4熱障涂層材料及其制備方法，所述的制備方法首先應(yīng)用球磨方法均勻混合原料，該方法是將^I2O3(純度為99. 9% )、！^e2O3(純度為99.99% )和&ι0(純度為99.99% )粉末，按1 1 m的摩爾比配比進(jìn)行配比，其中 1彡m彡5，優(yōu)選的選取0.5 0. 5 1的摩爾比進(jìn)行配比，一起放入球磨機(jī)中在100 500rpm轉(zhuǎn)速下球磨15min 96h，進(jìn)一步的優(yōu)選轉(zhuǎn)速300 500rpm下球磨15h 50。將混合均勻的粉末，裝入直徑為10 20mm的鋼制模具中在100 250ΜΙ^壓力下壓制成圓片，優(yōu)選的，壓制壓力為100 150MPa。將冷壓成型后的圓片，放在BeO坩堝中在1100 1300°C溫度下燒結(jié)48 240h，升溫速度為40 180°C /h,優(yōu)選燒結(jié)時(shí)間為196 240h，升溫速率為40 100°C /h，最后得到直徑為10 20mm，高度為4 6mm的^ 塊體材料。所得到的Mi^aiO4塊體材料即為本發(fā)明中要制備得到的氧化物陶瓷Mi^aiO4熱障涂層材料。將上述制備得到的Li^aiO4塊體材料制備成粉末，并進(jìn)行χ射線衍射分析，圖ι為 InFeZnO4的粉末X射線衍射圖。經(jīng)過分析Rietveld精修分析可知主要的特征峰(圖中的布拉格峰位)均為Mi^aiO4的衍射峰，約含有5%左右的Mi^Si2O5相。主要的擬合殘差因子R值分別為Rp (描繪R因子) 3. 69，Rwp 5. 35 (加權(quán)描繪R因子)和RBragg 2. 09 (布拉格R因子)，結(jié)果表明，X射線衍射強(qiáng)度的計(jì)算強(qiáng)度和實(shí)驗(yàn)強(qiáng)度很好的吻合，成功制備了InFeZnO4的氧化物陶瓷材料。圖2為Mi^aiO4的塊體材料的熱導(dǎo)率隨溫度的變化關(guān)系，可見熱導(dǎo)率隨著測試溫度的升高下降，直到1200°c測試溫度時(shí)，具有很低的熱導(dǎo)率值。圖3為Mi^aiO4 的塊體材料的熱膨脹系數(shù)隨溫度的變化關(guān)系，熱膨脹系數(shù)在1200°c測試溫度時(shí)達(dá)到 12. OX 10-6/Κο，所得實(shí)驗(yàn)數(shù)值均可以目前報(bào)道和應(yīng)用的最好的熱障涂層材料相比擬如 La2Zr2O7[C. L. Wan, W. Zhang, Y. F. Wang, Ζ. Χ. Qu, Α. B. Du, R. F. ffu, and W. Pan, Acta. Mater., 58 [18] 6166-72 (2010) · ] ,Gd2Zr2O7^Ba2ErAlO5 和 Ba2DyAlO5[C. L. Wan, Ζ. X. Qu, Y. He, D. Luan, and W. Pan,Phys. Rev. Lett. , 101 [8]085901 (1-4) Q008).]，表明 MFeZnO4 氧化物陶瓷塊體材料是一種很有發(fā)展?jié)摿Φ臒嵴贤繉硬牧?。?yīng)用本發(fā)明提供的制備方法，下面通過改變工藝參數(shù)進(jìn)行了不同的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)和結(jié)果見表1所示表1本發(fā)明的幾個(gè)優(yōu)選實(shí)施例
權(quán)利要求
1.一種氧化物陶瓷Mi^aiO4熱障涂層材料，其特征在于材料組成通式為hi^ai04。
2.根據(jù)權(quán)利要求ι所述的一種氧化物陶瓷Mi^aio4熱障涂層材料，其特征在于所述的材料在測試溫度為1200°C時(shí)熱導(dǎo)率1. 31 1. 52W/mK，熱膨脹系數(shù)10. 7 12. OX IO"6/ K0
3.—種權(quán)利要求ι所述氧化物陶瓷Mi^aiO4熱障涂層材料的制備方法，其特征在于， 制備工藝為⑴、采用ln203、Fii2O3和ZnO粉末作為初始原料，按L2O3 Fe2O3 ZnO = 1 1 m 比的摩爾比進(jìn)行配料，其中1彡m彡5 ；(2)、將上述的初始原料均勻混合；(3)、將混合均勻的粉末，壓制成圓片；G)、將壓制成型后的圓片，放在BeO坩堝中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1100 1300°C，保溫時(shí)間為48 240h，升溫速度為40 180°C /h，最后得到Mi^aiO4塊體材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于步驟O)中所述的均勻混合是指將初始原料放入球磨罐進(jìn)行均勻混合，球磨轉(zhuǎn)速為100 500rpm，時(shí)間為15min 96h。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的制備方法，其特征在于步驟O)中所述的均勻混合，球磨轉(zhuǎn)速為300 500rpm，時(shí)間為1 50h。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于步驟(3)中所述的壓制成圓片具體為將混合均勻的粉末裝入直徑為10 20mm的鋼制模具中進(jìn)行冷壓，壓力為100 ^OMPa0
7.根據(jù)權(quán)利要求3或6所述的制備方法，其特征在于步驟(3)中所述的壓制成圓片的壓力為100 150MPao
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于步驟中所述的燒結(jié)保溫時(shí)間為 196 240h，升溫速率為40 100°C /h。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于步驟(1)中所述的摩爾比為 0. 5 0. 5 1。
全文摘要
本發(fā)明公開一種氧化物陶瓷InFeZnO4熱障涂層材料及其制備方法，屬于新材料技術(shù)領(lǐng)域。該方法分為球磨、冷壓和固態(tài)燒結(jié)。將In2O3(純度為99.9％)，F(xiàn)e2O3(純度為99.99％)和ZnO(純度為99.99％)按照化學(xué)計(jì)量比混合后，通過球磨混合均勻后進(jìn)行冷壓，采用固態(tài)反應(yīng)法燒結(jié)制備InFeZnO4氧化物陶瓷。本發(fā)明制備得到的材料與其它熱障涂層材料相比具有成本低、熱導(dǎo)率低、膨脹系數(shù)適中以及熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，該制備方法具有工藝簡便，合成和成型的時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號C04B35/622GK102249665SQ20111011037
公開日2011年11月23日 申請日期2011年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月29日
發(fā)明者宮聲凱, 裴延玲, 郭洪波 申請人:北京航空航天大學(xué)