一种(Y1-xHox)2Si2O7固溶体材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及低热导率和难熔材料领域，具体为一种(Y1‑xHox)2Si2O7固溶体材料及其制备方法。所合成的(Y1‑xHox)2Si2O7固溶体为从室温到1450℃可稳定存在的γ相，其中x的取值范围为0

A (Y1-xHox) 2Si2O7 solid solution material and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种(Y1-xHox)2Si2O7固溶体材料及其制备方法
本专利技术涉及低热导率和难熔材料领域，具体为一种(Y1-xHox)2Si2O7固溶体材料及其制备方法，通过无压-固相反应法制备(Y1-xHox)2Si2O7固溶体陶瓷粉体或者通过热压/固-液相反应制备(Y1-xHox)2Si2O7固溶体陶瓷块体。
技术介绍
随着航空事业的快速发展，高温部件面临着更极端环境的挑战。氮化硅和碳化硅等高温结构陶瓷及其复合材料具有高温强度优、耐热冲击性好、抗高温蠕变强的特点，是在1200℃以上航空发动机应用的候选高温结构材料。但是硅基陶瓷在涡轮发动机的高温燃气环境中快速失效，需要在部件表面覆盖“环境障涂层”来保护。稀土硅酸盐是下一代环境障涂层的首选材料，但仍需要优化这类材料的力学、热学和抗高温腐蚀性能，实现综合性能优化。γ-Y2Si2O7是从室温到1450℃可稳定存在的高温相，具有诸多优异的性能，如：较高的抗损伤容限、较高的化学和热学稳定性，较好的抗高温腐蚀性，非常低的热导率(<2W/(m·K)，1000℃以上)和与硅基陶瓷匹配的热膨胀系数(3.9×10-6/K，25～1400℃)，是科学家们广泛关注的环境障涂层体系(Z.Q.Sun,etal.Inter.Mater.Rev.(国际材料评论),2014(59)357–383.)。但是γ-Y2Si2O7的室温热导率偏高，约6.5W/(m·K)，高温力学性能稍偏低，限制其应用前景。研究发现：含Y硅酸盐中固溶其它稀土元素时，可以得到性能更加优异的固溶体材料(如：(YxYb1-x)2SiO5)，具有更高杨氏模量和更低热导率等。因此，通过固溶方法是改善稀土硅酸盐材料性能的重要方法(田志林，几种稀土硅酸盐陶瓷的预测、制备和性能研究，中国科学院大学博士学位论文，2016)。可以预计，将具有更大原子量和4f电子层的Ho来取代Y2Si2O7中原子量较小以及没有4f电子层的Y，可制备出具有更优综合性能的固溶体材料。例如，由于固溶产生的晶格畸变和强烈的声子散射，可明显降低材料的热导率。而且，含Ho硅酸盐具有非常优良的高温力学性能，Ho的固溶也可提高γ-Y2Si2O7的高温强度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种(Y1-xHox)2Si2O7固溶体陶瓷材料及其制备方法，该材料耐高温、相稳定性好、高纯度、低热导率、力学性能良好。本专利技术的技术方案如下：一种(Y1-xHox)2Si2O7固溶体材料，(Y1-xHox)2Si2O7固溶体为从室温到1450℃可稳定存在的γ相(Y1-xHox)2Si2O7固溶体陶瓷材料，Ho取代Y的原子摩尔量x的取值范围为0<x<1。所述的(Y1-xHox)2Si2O7固溶体材料的制备方法，首先，以氧化钇、氧化钬和二氧化硅混合粉末作为原料，(Y1-xHox)：Si：O的摩尔比为2：2：7，其中Ho取代Y的原子摩尔量x的取值范围为0<x<1；以乙醇为介质，进行球磨混合8～24h，形成浆料；接着，将浆料烘干后筛成粉末，倒入坩埚中；然后，在马弗炉中进行高温无压烧结，升温速率为5～10℃/min，烧结温度为1500～1600℃，烧结时间为0.5～1.5小时，最后得到(Y1-xHox)2Si2O7固溶体粉体。所述的(Y1-xHox)2Si2O7固溶体材料的制备方法，将无压烧结后的固溶体粉体放入球磨罐中球磨然后干燥，并将干燥好的固溶体粉体装入石墨磨具中进行冷压成型，施加压强为5～15MPa；在通有保护气氛的热压炉内进行热压烧结，升温速率为5～30℃/min，烧结温度为1550～1700℃，烧结时间为0.5～3小时，烧结压强为15～45MPa，制备出(Y1-xHox)2Si2O7固溶体块体陶瓷。所述的(Y1-xHox)2Si2O7固溶体材料的制备方法，热压烧结采用的保护气氛为氩气或氮气。所述的(Y1-xHox)2Si2O7固溶体材料的制备方法，氧化钇、氧化钬和二氧化硅粉末的原始粒度范围在100～600目。所述的(Y1-xHox)2Si2O7固溶体材料的制备方法，无压烧结采用常压在空气气氛下进行。本专利技术的优点及有益效果是：1.纯度高，耐腐蚀，高温性能优良。采用本专利技术制备的(Y1-xHox)2Si2O7固溶体材料是将钬(Ho)元素原位固溶到Y2Si2O7陶瓷的晶格中，几乎不含Y2SiO5或者磷灰石等杂质相。Y2Si2O7陶瓷良好的耐腐蚀性能和钬硅酸盐陶瓷优异的低热导、良好的抗热震性能和高温力学性能相结合，获得综合性能良好的固溶体材料。2.本专利技术的操作方便，工艺简单，成本低。3.本专利技术中，粉体的制备是通过无压烧结直接制备。块体材料的制备是通过热压/固-液相反应，由于在烧结过程中有液相的出现，而且液相的传质过程较快，所以反应时间明显缩短，又更容易使材料致密化。附图说明图1为实施例1中Ho取代0.2Y的(Y0.8Ho0.2)2Si2O7固溶体的X射线衍射图。图2为实施例1中Ho取代0.2Y的(Y0.8Ho0.2)2Si2O7固溶体粉体的扫描照片。图3为实施例2中Ho取代0.5Y的(Y0.5Ho0.5)2Si2O7固溶体的热导率图。图4为实施例3中Ho取代0.33Y的(Y0.67Ho0.33)2Si2O7固溶体的X射线衍射图。图5为实施例3中Ho取代0.33Y的(Y0.67Ho0.33)2Si2O7固溶体的热导率图。具体实施方式在具体实施过程中，本专利技术一种(Y1-xHox)2Si2O7固溶体材料及其制备方法，具体步骤如下：1.固溶体粉体的制备：以氧化钇、氧化钬和二氧化硅混合粉末作为原料，以乙醇为介质，进行球磨混合8～24h，形成浆料；接着，浆料烘干后筛成粉末，倒入坩埚中，然后在马弗炉中高温烧结，升温速率为5～10℃/min，烧结温度为1500～1600℃，烧结时间为0.5～1.5小时，最后得到(Y1-xHox)2Si2O7固溶体粉体。2.固溶体块体的制备：将无压烧结后的固溶体粉体放入球磨罐中球磨然后干燥，并将干燥好的固溶体粉体装入石墨磨具中进行冷压成型，施加压强为5～15MPa，在通有保护气氛的热压炉内烧结，升温速率为5～30℃/min，烧结温度为1550～1700℃，烧结时间为0.5～3小时，烧结压强为15～45MPa，制备出(Y1-xHox)2Si2O7固溶体块体陶瓷。从而，可以在简单的工艺下制备出具有耐高温(1550℃)、相稳定性好(室温到1450℃可稳定存在)、高纯度(>99％)、低热导率(1.5～4W/(m·K))以及力学性能良好(室温和高温强度优良)的(Y1-xHox)2Si2O7固溶体陶瓷材料。下面，通过实施例进一步详述本专利技术。实施例1原料氧化钇、氧化钬和二氧化硅粉末的原始粒度为600目，将氧化钇8克、氧化钬3.35克和二氧化硅5.32克(摩尔比为(Y0..8Ho0.2)2Si2O7)，以乙醇为介质，进行球磨混合24h，形成浆料；接着，浆料烘干后筛成粉末，倒入坩埚中，然后在马弗炉中进行高温无压烧结，升温速率为5℃/min，烧结温度为1550℃，烧结时间为0.5小时，制备出(Y0..8Ho0.2)2Si2O7固溶体粉体，其XRD图谱见图1，可看出为γ-(Y0.8Ho0.2)2Si2O7相，形貌见图2。实施例2原料氧化钇、氧化钬和二氧化硅粉本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种(Y1‑xHox)2Si2O7固溶体材料，其特征在于，(Y1‑xHox)2Si2O7固溶体为从室温到1450℃可稳定存在的γ相(Y1‑xHox)2Si2O7固溶体陶瓷材料，Ho取代Y的原子摩尔量x的取值范围为0<x<1。

【技术特征摘要】
1.一种(Y1-xHox)2Si2O7固溶体材料，其特征在于，(Y1-xHox)2Si2O7固溶体为从室温到1450℃可稳定存在的γ相(Y1-xHox)2Si2O7固溶体陶瓷材料，Ho取代Y的原子摩尔量x的取值范围为0<x<1。2.一种权利要求1所述的(Y1-xHox)2Si2O7固溶体材料的制备方法，其特征在于，首先，以氧化钇、氧化钬和二氧化硅混合粉末作为原料，(Y1-xHox)：Si：O的摩尔比为2：2：7，其中Ho取代Y的原子摩尔量x的取值范围为0<x<1；以乙醇为介质，进行球磨混合8～24h，形成浆料；接着，将浆料烘干后筛成粉末，倒入坩埚中；然后，在马弗炉中进行高温无压烧结，升温速率为5～10℃/min，烧结温度为1500～1600℃，烧结时间为0.5～1.5小时，最后得到(Y1-xHox)2Si2O7固溶体粉体。3.按照权利要求2所述的(Y1...

【专利技术属性】
技术研发人员：王京阳，吴贞，胡万鹏，吕熙睿，孙鲁超，张洁，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21