一种稀土掺杂堇青石陶瓷材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种稀土掺杂堇青石陶瓷材料及其制备方法，该稀土掺杂堇青石陶瓷材料的化学表达式为(Mg1‑

【技术实现步骤摘要】
一种稀土掺杂堇青石陶瓷材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及环境障涂层陶瓷材料
，具体涉及一种稀土掺杂堇青石陶瓷材料及其制备方法。
[0002]
技术介绍

[0003]SiC
f
/SiC陶瓷基复合材料具有轻质、高强度、高韧性和耐高温的优点，在航空发动机热端部件上具有重要的应用。然而，SiC
f
/SiC陶瓷基复合材料在航空发动机的高温燃烧环境中容易受到腐蚀而性能退化。解决这一问题的有效途径是在SiC
f
/SiC陶瓷基复合材料基体的表面喷涂环境障涂层材料（EBC），从而保护SiCf/SiC部件在服役过程中免受外界高温燃气的侵蚀。通常情况下，环境障涂层材料（EBC）需要具备耐高温、耐腐蚀、与基体热膨胀匹配和低热导率的性能。
[0004]到目前为止，研究和应用最广泛的环境障涂层材料是稀土硅酸盐材料体系（RE2SiO5和RE2Si2O7），它具有耐高温、抗腐蚀和低热导率的性能。然而，稀土硅酸盐的热膨胀系数普遍偏高，通常为在6
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10
‑
6 /K以上；而SiCf/SiC陶瓷基复合材料的热膨胀系数则较低，其在1200℃的热膨胀系数为3
‑5×
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6 /K。因此，稀土硅酸盐环境障涂层材料与SiCf/SiC陶瓷基复合材料的热膨胀匹配性通常较差。这导致环境障涂层材料在服役过程中，涂层与基体的界面处产生巨大的热应力，从而导致涂层材料发生开裂失效。因此，降低环境障涂层材料的热膨胀系数，开发与低热膨胀系数、低热导率的新型环境障涂层材料是亟待解决的重要问题。

技术实现思路

[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种稀土掺杂堇青石陶瓷材料及其制备方法，目的在于开发一种兼具低热导率、低热膨胀系数的新型环境障涂层材料。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：本专利技术的第一方面，提供一种稀土掺杂堇青石陶瓷材料，所述稀土掺杂堇青石陶瓷材料的化学表达式为(Mg1‑
x
RE
x
)2Al4Si5O
18+x
,其中，0≤x≤0.5，RE为Y、Yb、Lu、Tm、Er中的一种。
[0007]优选地，所述稀土掺杂堇青石陶瓷材料的晶粒尺寸为0.2～8μm，孔隙率为0～10％，高温热导率不高于1.5 W/(m
·
K)，热膨胀系数为(2.0～5.0)
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‑6/K。所述稀土掺杂堇青石陶瓷材料的使用温度为常温至1400℃。
[0008]本专利技术针对现有技术中的稀土硅酸盐环境障涂层材料与SiCf/SiC陶瓷基复合材料基体热膨胀匹配性差，易开裂，尚无法满足极端燃气环境服役需求的瓶颈问题，提出采用低膨胀系数的堇青石材料作用新一代环境障涂层材料。基于堇青石低热膨胀系和低热导率的特点，通过掺杂稀土元素来进一步调节陶瓷的热膨胀系数和热导率，使其与SiCf/SiC陶瓷基复合材料热膨胀匹配，同时具有低热导率的优点。
[0009]本专利技术的第二方面，提供稀土掺杂堇青石陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：（1）将MgO、Al2O3、SiO2粉末以及稀土氧化物粉末四种原料按照比例混合，得到混和粉末A；（2）将步骤（1）中的所述混和粉末A放入球磨罐中，加入球磨介质和磨球进行湿法球磨，得到浆料；（3）将步骤（2）中的所述浆料进行干燥、过筛后，得到混合粉体B；（4）将步骤（3）中的所述混合粉体B使用压片机将其压片成型，得到块体原料；（5）将步骤（4）中的所述块体原料置于马弗炉中加热，使块体原料发生固相反应并生成稀土掺杂堇青石陶瓷材料。
[0010]优选地，步骤（1）中所述MgO、Al2O3、SiO2粉末以及稀土氧化物粉末的粒径均≤2μm；四种原料的摩尔比MgO：Al2O3：SiO2：稀土氧化物=（1～2）：2：5：（0.1～1）。
[0011]优选地，所述稀土氧化物为Y2O3、Yb2O3、Lu2O3、Tm2O3和Er2O3中的一种。
[0012]优选地，步骤（2）中所述球磨的转速为300～600转/分钟，球磨时间为10～30 h。球磨介质为去离子水或无水乙醇，磨球为玛瑙球或氧化锆球，球磨罐材质为尼龙或玛瑙，球磨方式为行星轮球磨。
[0013]优选地，步骤（2）中所述浆料的固含量为10～60％。
[0014]优选地，步骤（3）中所述干燥为，在空气气氛下于80～120℃烘干12～24 h；所述过筛的筛目数为300～600目。
[0015]优选地，步骤（4）中所述压片机的压力为100～300 MPa，保压时间为1～10 min；压片成型使用的模具为不锈钢模具。
[0016]优选地，步骤（5）中所述固相反应为，在空气气氛下，于1000～1500℃反应时间15～20h。
[0017]采用工艺简单、成本低的高温固相反应的方法来制备低热导率、低热膨胀系数的稀土掺杂堇青石陶瓷材料。所制备的低热导率、低热膨胀系数稀土掺杂堇青石陶瓷材料成分均匀，热膨胀系数可调控，热导率低，能够作为高温环境障涂层材料，在环境障涂层材料领域具有良好的应用前景。
[0018]综上所述，相比于现有技术，本专利技术的优点在于：1、本专利技术首次通过稀土掺杂的方式改善堇青石陶瓷的热导率和热膨胀系数，通过固相反应的方法获得了稀土掺杂堇青石陶瓷材料，该陶瓷材料具有纯度高、热导率低和热膨胀系数低的优点，高温热导率不高于1.5 W/(m
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K)，热膨胀系数为(2.0～5.0)
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‑6/K。
[0019]2、本专利技术所制备的稀土掺杂堇青石陶瓷材料成分范围广，热导率和热膨胀系数灵活可调，可通过改变稀土元素的掺杂量来调节热导率和热膨胀系数。
[0020]3、本专利技术制备稀土掺杂堇青石陶瓷材料所采用的固相反应法，原料成本低，工艺简单，对设备要求低。采用成本较低的氧化物粉末作为原料，通过高温固相反应直接得到低热导率、低热膨胀系数的稀土掺杂堇青石陶瓷材料，属于一步法制备陶瓷材料，不需要对陶瓷进行二次烧结。通过该方法可快速制备低热导率、低热膨胀系数的稀土掺杂堇青石陶瓷材料。
附图说明
[0021]图1是本专利技术实施例1制备的低热导率、低热膨胀系数的稀土掺杂堇青石陶瓷材料的X射线衍射图谱。
[0022]图2是本专利技术实施例1制备的低热导率、低热膨胀系数的稀土掺杂堇青石陶瓷材料的微观形貌图。
[0023]图3是本专利技术实施例2制备的低热导率、低热膨胀系数的稀土掺杂堇青石陶瓷材料的的高温热导率曲线图。
[0024]图4是本专利技术实施例3制备的低热导率、低热膨胀系数的稀土掺杂堇青石陶瓷材料的热膨胀系数曲线图。
[0025]图5是本专利技术实施例3制备的低热导率、低热膨胀系数的稀土掺杂堇青石陶瓷材料的高温热导率曲线图。
[0026]图6是本专利技术实施例4制备的低热导率、低热膨胀系数的稀土掺杂堇青石陶瓷材料的晶粒尺寸分布图。
具体实施方式本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种稀土掺杂堇青石陶瓷材料，其特征在于，所述稀土掺杂堇青石陶瓷材料的化学表达式为(Mg1‑
x
RE
x
)2Al4Si5O
18+x
,其中，0≤x≤0.5，RE为Y、Yb、Lu、Tm、Er中的一种。2.如权利要求1所述的稀土掺杂堇青石陶瓷材料，其特征在于，所述稀土掺杂堇青石陶瓷材料的晶粒尺寸为0.2～8μm，孔隙率为0～10％，高温热导率不高于1.5 W/(m
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K)，热膨胀系数为(2.0～5.0)
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‑6/K。3.一种如权利要求1～2任一项所述的稀土掺杂堇青石陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）将MgO、Al2O3、SiO2粉末以及稀土氧化物粉末四种原料按照比例混合，得到混和粉末A；（2）将步骤（1）中的所述混和粉末A放入球磨罐中，加入球磨介质和磨球进行湿法球磨，得到浆料；（3）将步骤（2）中的所述浆料进行干燥、过筛后，得到混合粉体B；（4）将步骤（3）中的所述混合粉体B放入压片机将其压片成型，得到块体原料；（5）将步骤（4）中的所述块体原料置于马弗炉中加热，使块体原料发生固相反应并生成稀土掺杂堇青石陶瓷材料。4.如权利要求3所述的稀土掺杂堇青石陶瓷材料的...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵子樊，利建雨，冯晶，阮子扬，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：