一种多孔钽酸盐陶瓷及其制备方法技术

本发明专利技术涉及热障涂层技术领域，具体公开了一种多孔钽酸盐陶瓷，该陶瓷由RE2O3粉末、Ta2O5粉末和HfO2粉末烧结而成，该陶瓷中RE:Ta:Hf的摩尔比为1:1:x，其中0＜x＜0.1，该陶瓷呈多孔结构，孔隙率大于0.2；该陶瓷的制备方法为称取RE:Ta:Hf的摩尔比为1:1:x的RE2O3粉末、Ta2O5粉末和HfO2粉末，加入溶剂混合，采用研磨机进行研磨，得到粉末A；将粉末A干燥后进行第一次过筛，得到粉末B；将粉末B放置在模具内压实后进行预烧结，形成块体C；待块体C冷却至室温后采用研磨机进行研磨，后进行第二次过筛，得到粉末D；将粉末D进行烧结得到一种多孔钽酸盐陶瓷。采用本专利中的技术方案得到的多孔钽酸盐陶瓷致孔隙率高，高温下热导率低，表现出良好的隔热性能。

A Porous Tartate Ceramic and Its Preparation Method

【技术实现步骤摘要】
一种多孔钽酸盐陶瓷及其制备方法
本专利技术涉及热障涂层
，特别涉及多孔钽酸盐陶瓷及其制备方法。
技术介绍
热障涂层主要应用于航空发动机工业，主要起到隔热、降低涂层与合金基体间的热失配、有效抵抗粒子冲击从而保护航空发动机高温区域零部件的作用，要求其具有良好的热力学性能，例如低的热导率、高的热膨胀系数以及高温稳定性等。目前广泛使用的热障涂层主要有氧化钇稳定氧化锆(YSZ)和稀土锆酸盐(RE2Zr2O7)等，但均存在一定程度的不足：YSZ使用温度较低(≦1200℃)，且热导率相对较高；而稀土锆酸盐则存在热膨胀系数较低的问题，这就促使研究人员去寻找能够替代上述陶瓷材料的热障涂层，2007年哈佛大学Clarke教授课题组同加州大学圣巴巴拉分校的Levi教授等提出了钽酸钇(YTaO4)铁弹体有望作为新型热障涂层材料，但关于稀土钽酸盐的研究主要集中在其晶体结构和发光性能等方面的理论计算；2016年Wang等人通过固相反应法制得了稀土钽酸盐块体材料，得出了热导率远小于YSZ材料的结论，研究人员的大量研究与实验结论为稀土钽酸盐在热障涂层上的应用提供了理论的基础。热障涂层通常是采用喷涂的方式将陶瓷粉体制备在基体材料上的，喷涂之后热障涂层中存在一些孔隙，这些孔隙因为对声子具有一定的散射作用，因此在一定程度上能降低热导率，但目前的陶瓷粉体制备方法(如水热法、固相反应法等)使得稀土钽/铌酸盐粉体的晶体结构内存在一定的缺陷，如微裂纹和气孔，虽然这部分气孔也能够有效的散射声子，理论上来讲是可以降低该陶瓷材料的热导率的，但是具有缺陷的陶瓷材料在作为热障涂层实际使用时，高温下热导率却大幅度的上升，涂层的隔热效果下降。
技术实现思路
本专利技术提供了一种多孔钽酸盐陶瓷及其制备方法，以解决现有的陶瓷制备方法使得陶瓷材料内部存在大量的缺陷，使其热导率高的问题。为了达到上述目的，本专利技术的基础方案为：一种多孔钽酸盐陶瓷，该陶瓷由RE2O3粉末、Ta2O5粉末和HfO2粉末烧结而成，该陶瓷中RE:Ta:Hf的摩尔比为1:1:x，其中0＜x＜0.1，该陶瓷呈多孔结构，孔隙率大于0.2。本基础方案的技术原理和效果在于：1、本基础方案中一种多孔钽酸盐陶瓷由RE2O3粉末、Ta2O5粉末和HfO2粉末烧结而成，陶瓷的晶体结构在形成过程中呈现出多孔的结构，这样的多孔结构在检测后发现其高温下的热导率急剧下降，表现出了良好的隔热效果，解决了现有的陶瓷材料内部缺陷的存在，导致其作为热障涂层时，发生开裂或脱落的问题。2、本基础方案中的大量孔隙的存在对不选择传输路径的声子造成强烈的临界散射，从而降低了材料的热导率；与陶瓷中缺陷不同在于，以气孔缺陷为例，这类缺陷通常是在烧结过程中粉体内部或外部引入的气体形成，由于晶界能作用，气体主要集中在晶界处，使得这些地方形成较大的气孔，甚至出现晶界断裂，与本方案中引入二氧化铪帮助钽酸盐成孔的原理不同，多孔钽酸盐中的孔隙是在晶粒形成过程中形成的孔隙，因此孔隙是较为均匀的分布在晶体中的，而粉体内部或外部引入的气体，由于其阻碍晶粒的生长，阻碍晶界的形成，从而形成的气孔，对钽酸盐陶瓷材料而言具有较大的不良影响。3、由于两个Hf离子的离子半径之和约等于一个RE和一个Ta离子的离子半径之和，氧化铪在稀土氧化物与氧化钽反应过程中，为维持化合物的电中性，Hf原子同时取代RE和Ta原子，从而使得Hf原子进入到稀土钽酸盐的晶格当中，使得最终形成的稀土钽酸盐呈单相，进而减少陶瓷晶体中的相界面(需要注意的是，不同的相，其内部成分和晶体结构通常是不同的，因此不同的相在形成过程中，会出现挤压现象，使得相界面处的界面能高，此处容易形成各种点或线缺陷)。进一步，RE为Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Y、Er中的一种元素或多种元素。有益效果：本方案中的几种稀土离子半径较大，均在0.100～0.116nm范围内，因此采用多种稀土氧化物与氧化钽反应时，各稀土元素能够相互置换固溶，因而与采用一种元素相同均形成单相的稀土钽酸盐。而其他稀土元素，例如Sc元素，其离子半径为0.075nm，远远小于其余的稀土元素，其氧化物在高温反应下与氧化钽生成的是亚稳态单斜相，且稀土元素间离子差异巨大无法相互置换形成固溶体，该晶体结构与其余稀土钽酸盐晶体结构不同，因此，根据专利技术人的实验证明采用稀土元素间离子差异巨大的稀土氧化物与氧化钽会会导致两相或多相的产生，对稀土钽酸盐的孔隙率有一定的不良影响。进一步，一种多孔钽酸盐陶瓷的制备方法，包括以下步骤：步骤(1)：称取RE:Ta:Hf的摩尔比为1:1:x(0＜x＜0.1)的RE2O3粉末、Ta2O5粉末和HfO2粉末，加入溶剂混合，采用研磨机进行研磨，得到粉末A；步骤(2)：将步骤(1)得到的粉末A干燥后进行第一次过筛，得到粉末B；步骤(3)：将步骤(2)得到的粉末B放置在模具内压实，并保压后进行预烧结，形成块体C，其中保压压力为100～300MPa，保压时间为2～6min，预烧结的温度为800～1200℃，预烧结时间为10～14h；步骤(4)：待步骤(3)中的块体C冷却至室温后采用研磨机进行研磨，后进行第二次过筛，得到粉末D；步骤(5)：将步骤(4)中的粉末D进行烧结得到一种多孔钽酸盐陶瓷，其中烧结温度为1300～1500℃，烧结时间为2～5h。有益效果：采用步骤(1)～步骤(5)的方法制备得到的多孔钽酸盐陶瓷，经检测孔隙率大于0.2，作为热障涂层使用时，高温下热导率低，具有良好的隔热性能，同时高温下热膨胀系数高，降低了其在热循环过程中热障涂层之间或与基体材料之间的热失配应力。步骤(1)的目的在于将RE2O3粉末、Ta2O5粉末和HfO2粉末机械混合均匀，同时溶剂的加入是为了降低RE2O3粉末、Ta2O5粉末和HfO2粉末的表面活性，降低粉末间的粘接性，降低粉末间的粘接。步骤(2)的目的在于，将粉末A中的溶剂去除，同时将步骤(1)中可能粘接在一起的大颗粒粉末筛分掉，保证最后烧结块体中晶粒的大小较为均匀。步骤(3)中对粉末B进行保压的目的在于，在压力作用下，粉末B中的气体排出，进而减少块体C晶体结构中的气孔，而预烧结的目的在于消耗粉末内一部分内能，降低粉末B的烧结活性，提高粉末B的反应温度，防止其在较低温度下发生反应形成第二相，同时也防止其在最终的高温烧结中产生杂质，另外由于预烧结时未达到反应的温度，因此此时没有发生化学反应。步骤(4)对步骤(3)中烧结活性降低的块体研磨后进一步筛分，得到粒度小的粉末D，这一步的目的在于，小粒度的粉末D在稀土氧化物与氧化钽反应中起到帮助形核的作用，稀土氧化物与氧化钽反应过程中能够同时以多个粉末D为晶核进行形核长大，同时由于本步骤采用研磨并过筛的方式，使得粉末D的粒径分布十分的均匀，稀土氧化物与氧化钽形成的晶核尺寸分布也较为均匀，整个反应过程中不会有过大或者过小的晶粒形成，这样使得最后得到的稀土钽酸盐陶瓷晶粒的粒径分布均匀；需要注意的是，当反应过程中有过大的晶粒形成时(晶核较大就会产生这样的情况)，这些大晶粒会迅速的长大，挤压尺寸较小的晶粒，这样就使得最后形成的陶瓷晶体结构中，大晶粒与小晶粒之间的晶界能过高，使得晶界处容易出现点缺陷(气孔)或线缺陷(微裂纹)导致陶瓷的抗低熔点氧化物腐蚀的性能降低。而现有本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多孔钽酸盐陶瓷，其特征在于：该陶瓷由RE2O3粉末、Ta2O5粉末和HfO2粉末烧结而成，该陶瓷中RE:Ta:Hf的摩尔比为1:1:x，其中0＜x＜0.1，该陶瓷呈多孔结构，孔隙率大于0.2。

【技术特征摘要】
1.一种多孔钽酸盐陶瓷，其特征在于：该陶瓷由RE2O3粉末、Ta2O5粉末和HfO2粉末烧结而成，该陶瓷中RE:Ta:Hf的摩尔比为1:1:x，其中0＜x＜0.1，该陶瓷呈多孔结构，孔隙率大于0.2。2.根据权利要求1所述的一种多孔钽酸盐陶瓷，其特征在于：RE为Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Y、Er中的一种元素或多种元素。3.根据权利要求2所述的一种多孔钽酸盐陶瓷的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤(1)：称取RE:Ta:Hf的摩尔比为1:1:x(0＜x＜0.1)的RE2O3粉末、Ta2O5粉末和HfO2粉末，加入溶剂混合，采用研磨机进行研磨，得到粉末A；步骤(2)：将步骤(1)得到的粉末A干燥后进行第一次过筛，得到粉末B；步骤(3)：将步骤(2)得到的粉末B放置在模具内压实，并保压后进行预烧结，形成块体C，其中保压压力为100～300MPa，保压时间为2～6min，预烧结的温度为800～1200℃，预烧结时间为10～14h；步骤(4)：待步骤(3)中的块体C冷却至室温后采用研磨机进行研磨，后进行第二次过筛，得到粉末D；步骤(5)：将步骤(4)中的粉末D进行烧结得到一种多孔钽酸盐陶瓷，其中烧结温度为1300～1500℃，...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯晶，种晓宇，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：云南,53