一种制备纳米级钇稳定氧化锆复合粉体的方法技术

本发明专利技术涉及一种制备纳米级钇稳定氧化锆复合粉体的方法，其特征在于：1.分别配制0.5‑2.0 mol/L的锆源溶液A1和钇源溶液A2，按A2与A1摩尔比5~8：92~95混合成溶液A；2.配制1.0‑4.0 mol/L的含有羧基键的酸类溶液B；3.溶液B中加分散剂制成溶液C，分散剂与溶液B摩尔比0.5‑3.0：100；4.溶液C加热，添加溶液A制得溶胶溶液；5.水热反应釜中加1.0~3.0 mol/L的弱碱性铵类无机物，120‑180℃、1.0~4.0 MPa下加溶胶溶液，反应4‑24 h后冷却洗涤干燥得前驱体；6.前驱体分散、低温煅烧即可。本发明专利技术优点：制得的复合纳米氧化锆粉体尺寸均匀、分散性好、结晶度高；提高了热障涂层的强度和耐热性能，产品稳定性好，成本低；可用于热障涂层材料、5G陶瓷手机盖板和耐磨结构件陶瓷件材料领域。

A method of preparing nanometer yttria stabilized zirconia composite powder

【技术实现步骤摘要】
一种制备纳米级钇稳定氧化锆复合粉体的方法
本专利技术属于纳米材料制备领域，涉及一种制备纳米级钇稳定氧化锆复合粉体的方法。
技术介绍
二氧化锆（ZrO2）具有耐高温、耐磨损、耐腐蚀和导热系数低等优点，使得其在功能陶瓷、结构陶瓷和生物陶瓷等领域得到了广泛使用。热障涂层主要采用陶瓷的隔热作用、抗腐蚀性和低热传导性，从而实现了对基体合金材料的保护作用。因此，能够作为热障涂层的陶瓷材料应具有以下性质：高熔点；低密度；抗氧化及热腐蚀性能；热导率低；热膨胀系数较高；反射率高等特点。而氧化锆（ZrO2）可作为热障涂层的理想材料。ZrO2材料作为热障涂层具有高的熔点高（>2680℃），导热系数低（2.18W/mK），抗熔融金属介质侵蚀能力和化学惰性等优异的物理和化学性能。与其他陶瓷材料相比，ZrO2更具有较高的断裂强度和韧性。同时，氧化锆涂层更具有优异的热学和力学性能，例如其线膨胀系数较高（11×10-6K-1），这数值与接触的缓冲层材料镍基耐热合金NiCrAlY较近，因此热失配而引起的热应力相对较小，热导率低，从而氧化锆涂层可起到良好的热障作用。由于纯ZrO2粉末在1170℃高温条件下，氧化锆晶型会发生单斜相转变为四方相，有7%的体积收缩；冷却时，四方相会向单斜转变，会有8%的剪切应变和3%~5%的体积膨胀，从而制备的材料容易产生裂纹，材料强度下降，应用价值较小。研究发现，6%~8%Y2O3部分稳定的ZrO2，在温度为1350℃时仍能够保持立方晶体，十分稳定，氧化锆晶型转变的体积应力较小，这样耐热震性能更好，因此钇稳定锆已作为现代航天航空发动机应用的先进热障涂层材料。有文献阐述，航空航天飞行器燃气涡轮发动机的一级涡轮叶片上涂一层厚度为0.25mm陶瓷热障涂层，可使冷却空气使用量减少6%，比油耗改善113%，叶片寿命可提高4倍。目前，热障涂层氧化锆粉多为微米级别，这使得制备涂层残余应力和工作时产生的热应力较大，在外力的作用下，涂层的使用寿命和可靠性降低较快。如专利公开号CN108715988A《一种兼具热障及抗CMAS腐蚀附着的热障涂层》中采用粒径为45μm~75μm的氧化锆粒子、锆酸锶或钇铝石榴石中的一种粉末，通过大气等离子技术喷涂制备层状隔热层。如专利公开号CN103242039B中采用将ZrO2含量为2-6%的ZrOCl2和质量浓度为6-9%的Na2SO4混合，加入盐酸，将溶液体系的酸浓度调节为0.5-1.2mol/L；再将得到的混合溶液升温到40-85℃，生成溶胶；然后向溶胶中加入至少两次NaOH溶液调节体系pH值，得到沉淀；通过将沉淀过滤得到浆饼，浆饼打浆洗涤至中性后再将Y2O3含量为6-10%的Y(NO3)3加入到中性浆液中，然后将溶液升温至60-90℃，再次加入NaOH调节溶液体系的pH值至8.7-9.3，得到复合沉淀；再次将复合沉淀过滤，加入去离子水打浆洗涤至中性，然后将次中性浆液过滤得到浆饼通过煅烧得到纳米钇稳定氧化锆粉体。此专利技术中多次需要用强碱进行中和调pH，操作过程复杂，洗涤用水量大，能耗高。又如在专利CN109467431A申请中采用将锆源和钇源经过分散剂制成混合溶液，然后将醇钠的乙醇溶液加入进行沉淀，再经过洗涤胶体后沉淀通过加入乙醇胺进行再次分散，然后置于水热反应釜中于180-250℃反应8-15小时制得四方相钇稳定氧化锆。但是仅仅是在50ml聚四氟乙烯内衬水热反应釜中进行的，无法满足规模化生产条件。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有微米级氧化锆热障涂层使用寿命和可靠性降低快的问题，提供一种制备纳米级钇稳定氧化锆复合粉体的方法。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种制备纳米级钇稳定氧化锆复合粉体的方法，其特征在于包括以下步骤：（1）分别称取可溶性锆源（氯化锆、氧氯化锆、醋酸锆、硝酸锆中任一种或两种复配）和可溶性钇源（氯化钇、氧氯化钇、醋酸钇、硝酸钇中任一种或两种复配）配制成0.5-2.0mol/L的反应溶液A1和A2，按反应溶液A2与反应溶液A1的摩尔比为5~8：92~95混合成反应溶液A，其中可溶性钇源（A2）是可溶性锆源（A1）的稳定剂；（2）称取可溶性的含有羧基键的酸类（草酸、柠檬酸、乙酸、酒石酸、氨基乙酸、苹果酸中任一种或两种复配）配成1.0-4.0mol/L的溶液B，溶液B作为促凝剂；（3）向溶液B中加入可溶性分散剂（聚乙二醇（PEG200）、丙二醇、丙三醇、聚丙烯酸（PAA）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、三乙醇胺中任一种或两种复配）混合均匀制成溶液C，控制可溶性分散剂与溶液B摩尔比为0.5-3.0：100；（4）将溶液C加热至40~80℃，然后以40-70rpm的速度向溶液C中添加反应溶液A，搅拌均匀至混合溶液呈淡蓝色透明状的溶胶溶液；（5）向水热反应釜中加入可溶性的弱碱性铵类无机物（氨水、尿素、碳酸氢铵、碳酸铵中任一种或两种复配）作为矿化剂，矿化剂的浓度为1.0~3.0mol/L，控制水热反应釜温度120-180℃、压力1.0~4.0MPa，将步骤（4）制得的溶胶溶液通过特制反应设备（专利公开号CN207254320U中公开的装置）加入到水热反应釜中，反应4-24h后冷却至室温，将反应产物经过水洗和醇洗后，80℃干燥30min即可得到高比表面积的纳米级钇稳定氧化锆粉体前驱体；（6）将高比表面积的纳米级钇稳定氧化锆粉体前驱体进行干法气流粉碎，控制粉碎的气体流量10000-16000m3/h、进料量10-30kg/min，400~600℃下煅烧1h，即得到结晶性良好的纳米钇稳定氧化锆复合粉体。本专利技术采用溶胶-凝胶与水热反应相结合的方法，在反应装置中加入矿化剂，于高温高压条件下反应，可高效制备出尺寸均匀，结晶度良好的立方相纳米钇稳定锆复合粉体，本发法具有如下特点：第一：采用溶胶-凝胶的方法，形成均匀的氧化锆凝胶，在低温条件下操作，反应过程简单，化学成分容易控制，氧化锆凝胶的均匀性可达到了纳米级；第二：水热反应后，干燥得到的纳米钇稳定氧化锆晶型从无定型转变为立方晶型，结晶度得到提高；第三：通过溶胶-凝胶水解，再经过水热反应得到的纳米粒子粒度小（晶粒尺寸小10nm）、比表面积大、分散性好、粒子尺寸分散区间窄、团聚少、纯度高等优点；氧化钇作为氧化锆的稳定剂，能够均匀的掺杂在氧化锆晶型中，从而保证氧化锆在室温下为立方相，不会发生温度降低晶型向单斜相转变；同时二氧化锆的熔点高、密度低、抗氧化及热腐蚀性能好、热导率低、热膨胀系数较高和反射率高等特点，可广泛应用于航空发动机的工作叶片、导向叶片、加力筒体隔热屏和燃油总管等部分的涂覆热障涂层。本专利技术的优点：本方法得到复合纳米氧化锆粉体具有尺寸均匀、分散性好、结晶度高等优点；提高了热障涂层的强度和耐热性能；可应用于热障涂层材料、5G陶瓷手机盖板和耐磨结构件陶瓷件材料领域；产品稳定性好，成本低，具有良好的产业推广意义。附图说明图1一种制备纳米级钇稳定氧化锆复合粉体的工艺简图；图2本专利技术制得的实施例1钇稳定纳米氧化锆立方相X-衍射图；图3本专利技术制得的实施例1钇稳定纳米氧化锆立方相电镜图。通过图2知道纳米粉体为立方相，图3扫描电镜图表明粒子尺寸分布均匀，团聚较小，粒子的比表面积为60.4m2/g。具体实施方式结合图1对本专利技术作进一步本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制备纳米级钇稳定氧化锆复合粉体的方法，其特征在于包括以下步骤：（1）分别称取可溶性锆源和可溶性钇源配制成0.5‑2.0 mol/L的反应溶液A1和A2，按反应溶液A2与反应溶液A1的摩尔比为5~8：92~95混合成反应溶液A；（2）称取可溶性的含有羧基键的酸类配成1.0 ‑4.0 mol/L的促凝剂溶液B；（3）向促凝剂溶液B中加入可溶性分散剂混合均匀制成溶液C，控制可溶性分散剂与溶液B摩尔比为0.5‑3.0：100；（4）将溶液C加热至40~80℃，然后以40‑70 rpm的速度向溶液C中添加反应溶液A，搅拌均匀至混合溶液呈淡蓝色透明状的溶胶溶液；（5）向水热反应釜中加入可溶性的弱碱性铵类无机物作为矿化剂，矿化剂的浓度为1.0 ~3.0 mol/L，控制水热反应釜温度120‑180℃、压力1.0~4.0 MPa，将步骤（4）制得的溶胶溶液通过特制反应设备加入到水热反应釜中，反应4‑24 h后冷却至室温，将反应产物经过水洗和醇洗后，80℃干燥30 min即可得到高比表面积的纳米级钇稳定氧化锆粉体前驱体；（6）将高比表面积的纳米级钇稳定氧化锆粉体前驱体进行干法气流粉碎，控制粉碎的气体流量10000‑16000 m...

【技术特征摘要】
1.一种制备纳米级钇稳定氧化锆复合粉体的方法，其特征在于包括以下步骤：（1）分别称取可溶性锆源和可溶性钇源配制成0.5-2.0mol/L的反应溶液A1和A2，按反应溶液A2与反应溶液A1的摩尔比为5~8：92~95混合成反应溶液A；（2）称取可溶性的含有羧基键的酸类配成1.0-4.0mol/L的促凝剂溶液B；（3）向促凝剂溶液B中加入可溶性分散剂混合均匀制成溶液C，控制可溶性分散剂与溶液B摩尔比为0.5-3.0：100；（4）将溶液C加热至40~80℃，然后以40-70rpm的速度向溶液C中添加反应溶液A，搅拌均匀至混合溶液呈淡蓝色透明状的溶胶溶液；（5）向水热反应釜中加入可溶性的弱碱性铵类无机物作为矿化剂，矿化剂的浓度为1.0~3.0mol/L，控制水热反应釜温度120-180℃、压力1.0~4.0MPa，将步骤（4）制得的溶胶溶液通过特制反应设备加入到水热反应釜中，反应4...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦云峰，杨猛，严回，韩晖，王友乐，赵洪义，刘强，王永和，
申请(专利权)人：安徽钛谷纳米材料有限公司，
类型：发明
国别省市：安徽,34