复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种复合材料及其制备方法，该复合材料包括：基体；粘结层，所述粘结层形成于所述基体的表面上；第一陶瓷层，所述第一陶瓷层形成于所述粘结层的表面上；以及第二陶瓷层，所述第二陶瓷层形成于所述第一陶瓷层的表面上，其中，所述第一陶瓷层含有5.66wt％的陶瓷纤维、7.55wt％的Y2O3和86.79wt％的ZrO2，所述第二陶瓷层含有5.66wt％的陶瓷纤维、7.55wt％的La2O3、6.94wt％的Y2O3和79.85wt％的ZrO2该复合材料具有优良的抗热震性能，从而使得其使用寿命明显提高。

【技术实现步骤摘要】
复合材料及其制备方法
本专利技术属于材料领域，具体而言，本专利技术涉及一种复合材料及其制备方法。
技术介绍
热障涂层沉积在耐高温金属或超合金的表面，能在高温载荷下，形成沿涂层厚度的高温梯度，减弱向基体的传热，降低基体的工作温度，提高基体的抗高温氧化、抗腐蚀和抗磨损性能，对基底材料起到隔热作用。热障涂层是目前可以大幅度提高航空发动机工作温度的一种切实可行的方法。曹学强等人对热障涂层研究多年后提出了双陶瓷层热障涂层的概念，这种设计可以综合两种不同材料的优点而克服它们的缺点，可以大大延长涂层的热循环寿命，并能提高涂层的使用温度，这是未来发展使用温度超过1473K的高温热障涂层的最有效途径。科技日报日前报道，中科院长春应化所在热障涂层的设计思路、失效机理以及新型热障涂层材料研发等方面取得重要进展，设计并成功制备出了使用温度≥1250℃的双陶瓷层热障涂层材料。然而，目前关于双陶瓷层热障涂层材料的研究国内外还处于初步发展阶段，因此，对于如何获得优良性能的涂层还有待进一步研究。
技术实现思路
本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术的一个目的在于提出一种复合材料及其制备方法，该复合材料具有优良的抗热震性能，从而使得其使用寿命明显提高。在本专利技术的一个方面，本专利技术提出了一种复合材料，包括：基体；粘结层，所述粘结层形成于所述基体的表面上；第一陶瓷层，所述第一陶瓷层形成于所述粘结层的表面上；以及第二陶瓷层，所述第二陶瓷层形成于所述第一陶瓷层的表面上，其中，所述第一陶瓷层含有5.66wt％的陶瓷纤维、7.55wt％的Y2O3和86.79wt％的ZrO2，所述第二陶瓷层含有5.66wt％的陶瓷纤维、7.55wt％的La2O3、6.94wt％的Y2O3和79.85wt％的ZrO2。根据本专利技术实施例的复合材料具有优良的抗热震性能，从而显著提高其使用寿命。另外，根据本专利技术上述实施例的复合材料还可以具有如下附加的技术特征：在本专利技术的一些实施例中，所述基体含有Cr、Ni和Ti。在本专利技术的一些实施例中，所述粘结层为NiCrCoAl合金。在本专利技术的一些实施例中，所述NiCrCoAl合金含有：4.0～8.0wt％的Al；16.0～20.0wt％的Cr；10.0～12.0wt％的Co；以及剩余的Ni。在本专利技术的一些实施例中，所述复合材料进一步包括第一过渡层，所述第一过渡层形成于所述粘结层和所述第一陶瓷层之间，并且所述第一过渡层含有50wt％的所述NiCrCoAl合金和50wt％的第一粉末，其中所述第一粉末含有5.66wt％的陶瓷纤维、7.55wt％的Y2O3和86.79wt％的ZrO2。由此，可以缓解第一陶瓷层与粘结层因热膨胀系数不同而引起的热应力，从而延长整个涂层的的使用寿命。在本专利技术的一些实施例中，所述复合材料进一步包括第二过渡层，所述第二过渡层形成于所述第一陶瓷层和所述第二陶瓷层之间，并且所述第二过渡层含有50wt％的所述第一粉末和50wt％的第二粉末，其中所述第二粉末含有5.66wt％的陶瓷纤维、7.55wt％的La2O3、6.94wt％的Y2O3和79.85wt％的ZrO2。由此，可以缓解第一陶瓷层与第二陶瓷层因热膨胀系数不同而引起的热应力，从而延长整个涂层的的使用寿命。在本专利技术的一些实施例中，所述粘结层、所述第一过渡层、所述第一陶瓷层、所述第二过渡层和所述第二陶瓷层的厚度分别独立的为100～150微米。由此，可以进一步提高复合材料的抗热震性能。在本专利技术的另一个方面，本专利技术提出了一种制备上述复合材料的方法，包括：(1)提供基体；(2)利用溶胶-凝胶法和静电纺丝制备陶瓷纤维；(3)采用高能球磨机将所述陶瓷纤维分别与第一陶瓷粉末和第二陶瓷粉末进行混合，以便分别得到第一混合物和第二混合物；(4)利用等离子喷涂，在所述基体表面喷涂NiCrCoAl合金，以便在所述基体表面形成粘结层；(5)利用等离子喷涂，在所述粘结层表面喷涂所述第一混合物，以便在所述粘结层的表面上形成第一陶瓷层；以及(6)利用等离子喷涂，在所述第一陶瓷层表面喷涂所述第二混合物，以便在所述第一陶瓷层表面形成第二陶瓷层，进而得到所述复合材料。根据本专利技术实施例的制备复合材料的方法通过将陶瓷纤维分别与第一陶瓷粉末和第二陶瓷粉末进行混合后进行等离子喷涂，达到对第一陶瓷层和第二陶瓷层增强的目的，从而使得所得复合材料抗热震性能显著提高，进而提高其使用寿命。另外，根据本专利技术上述实施例的制备复合材料的方法还可以具有如下附加的技术特征：在本专利技术的一些实施例中，在步骤(2)中，所述制备陶瓷纤维的步骤进一步包括：将硝酸钇、氯氧化锆、聚乙烯吡咯烷酮混合溶解制备溶胶溶液；将所述溶胶溶液加入到注射器中，并在电压为20KV的条件下，以0.5ml/h的推进速度进行静电纺丝，以便得到前躯体纤维；以及将所述前躯体纤维以5摄氏度/分钟的升温速率从室温升至550摄氏度并保温0.5小时，以便获得所述陶瓷纤维。由此，可以有效制备得到陶瓷纤维。在本专利技术的一些实施例中，所述第一陶瓷粉末含有Y2O3和ZrO2，所述第二陶瓷粉末含有La2O3、Y2O3和ZrO2。在本专利技术的一些实施例中，所述第一陶瓷粉末和所述第二陶瓷粉末与所述陶瓷纤维混合质量比分别独立地为100：6。由此，可以显著增强第一陶瓷层和第二陶瓷层。在本专利技术的一些实施例中，在步骤(4)、(5)和(6)中，所述等离子喷涂分别独立地在电压为60～70V、电流为500～600A、喷涂距离为100～150mm、主气流量为50～60L/min、辅气流量为17～30L/min、载气流量为6.13L/min、送粉速率为19～20L/min、喷枪移动速度为100mm/s和步距为3.2mm的条件下进行的。由此，可以有效依次在基体表面上形成粘结层、第一陶瓷层和第二陶瓷层。在本专利技术的一些实施例中，在所述利用等离子喷涂，在所述粘结层表面喷涂所述第一混合物，以便在所述粘结层的表面上形成第一陶瓷层之前，预先在所述粘结层表面形成第一过渡层。由此，可以缓解第一陶瓷层与粘结层因热膨胀系数不同而引起的热应力，从而延长整个涂层的的使用寿命。在本专利技术的一些实施例中，在所述利用等离子喷涂，在所述第一陶瓷层表面喷涂所述第二混合物，以便在所述第一陶瓷层表面形成第二陶瓷层之前，预先在所述第一陶瓷层表面形成第二过渡层。由此，可以缓解第一陶瓷层与第二陶瓷层因热膨胀系数不同而引起的热应力，从而延长整个涂层的的使用寿命。在本专利技术的一些实施例中，在利用等离子喷涂在所述基体表面喷涂NiCrCoAl合金，以便在所述基体表面形成粘结层之前，预先对所述基体依次进行打磨、除油和粗化，其中，所述打磨是利用砂纸进行的，所述除油是利用无水乙醇和丙酮进行的，所述粗化是在喷砂电压为0.8MPa、喷砂距离为10厘米和喷砂角度为90度的条件下喷60#白刚玉进行的。由此，可以显著提高基体与涂层之间的结合力。附图说明图1是根据本专利技术一个实施例的复合材料的结构示意图；图2是根据本专利技术又一个实施例的复合材料的结构示意图；图3是根据本专利技术再一个实施例的复合材料的结构示意图；图4是根据本专利技术一个实施例的制备复合材料的方法流程示意图；图5是根据本专利技术一个实施例的制备复合材料的方法得到的陶瓷纤维SEM图；图6是根据本专利技术一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种复合材料，其特征在于，包括：基体；粘结层，所述粘结层形成于所述基体的表面上；第一陶瓷层，所述第一陶瓷层形成于所述粘结层的表面上；以及第二陶瓷层，所述第二陶瓷层形成于所述第一陶瓷层的表面上，其中，所述第一陶瓷层含有5.66wt％的陶瓷纤维、7.55wt％的Y2O3和86.79wt％的ZrO2，所述第二陶瓷层含有5.66wt％的陶瓷纤维、7.55wt％的La2O3、6.94wt％的Y2O3和79.85wt％的ZrO2。

【技术特征摘要】
1.一种制备复合材料的方法，其特征在于，包括：(1)提供基体；(2)利用溶胶-凝胶法和静电纺丝制备陶瓷纤维；(3)采用高能球磨机将所述陶瓷纤维分别与第一陶瓷粉末和第二陶瓷粉末进行混合，以便分别得到第一混合物和第二混合物；(4)利用等离子喷涂，在所述基体表面喷涂NiCrCoAl合金，以便在所述基体表面形成粘结层；(5)利用等离子喷涂，在所述粘结层表面喷涂所述第一混合物，以便在所述粘结层的表面上形成第一陶瓷层；以及(6)利用等离子喷涂，在所述第一陶瓷层表面喷涂所述第二混合物，以便在所述第一陶瓷层表面形成第二陶瓷层，进而得到所述复合材料，其中，在所述粘结层的表面上形成第一陶瓷层之前，预先在所述粘结层表面形成第一过渡层，在所述第一陶瓷层表面形成第二陶瓷层之前，预先在所述第一陶瓷层表面形成第二过渡层，在步骤(4)、(5)和(6)中，所述等离子喷涂分别独立地在电压为60～70V、电流为500～600A、喷涂距离为100～150mm、主气流量为50～60L/min、辅气流量为17～30L/min、载气流量为6.13L/min、送粉速率为19～20L/min、喷枪移动速度为100mm/s和步距为3.2mm的条件下进行的，所述复合材料包括：基体；粘结层，所述粘结层形成于所述基体的表面上；第一陶瓷层，所述第一陶瓷层形成于所述粘结层的表面上；第二陶瓷层，所述第二陶瓷层形成于所述第一陶瓷层的表面上；第一过渡层，所述第一过渡层形成于所述粘结层和所述第一陶瓷层之间；以及第二过渡层，所述第二过渡层形成于所述第一陶瓷层和所述第二陶瓷层之间，其中，所述第一陶瓷层含有5.66wt％的陶瓷纤维、7.55wt％的Y2O3和86.79wt％的ZrO2，所述第二陶瓷层含有5.66wt％的陶瓷纤维、7.55wt％的La2O3、6.94wt％的Y2O3和79.85wt％的ZrO2，所述第一过渡层含有50wt％的所述NiCrCoAl合金...

【专利技术属性】
技术研发人员：金国，蔡召兵，崔秀芳，郑卫，高宗鸿，肖强，曹蔚琦，刘喆，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23