一种高熵陶瓷气凝胶材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术提供了一种高熵陶瓷气凝胶材料及其制备方法与应用，所述高熵陶瓷气凝胶材料包括稀土基高熵陶瓷材料和YSZ纤维基体材料；本发明专利技术所述高熵陶瓷气凝胶材料在室温下以稳定的萤石型结构存在，并且多种稀土元素分布均匀，相较于传统气凝胶材料，本发明专利技术高熵陶瓷气凝胶材料具有较低的热导率、较高的热膨胀系数以及良好的高温稳定性，其常温热导率低于0.030W/(m

【技术实现步骤摘要】
一种高熵陶瓷气凝胶材料及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于稀土高熵陶瓷
，涉及一种高熵陶瓷气凝胶材料及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]高性能保温隔热材料是航空航天、工业储罐、管道以及军工等领域热防护的关键组件，同时也是建筑节能和环保的关键材料。气凝胶材料是一种具有纳米级别的三维网格空间结构的多孔介质材料，是目前世界上密度最小的固体材料。气凝胶材料独特的纳米级孔隙结构可有效预制固态和气态的热传导，同时由于其具有低密度、高比表面积和热稳定性等优点，成为了一种性能优异的保温隔热材料。目前，已有的气凝胶主要包括无机气凝胶、有机气凝胶和碳气凝胶，无机气凝胶包括如SiO2气凝胶、黏土气凝胶和金属气凝胶等，有机气凝胶包括如酚醛气凝胶、聚酰亚胺气凝胶等，碳气凝胶包括如活性炭、石墨烯和碳纳米管(CNT)等。
[0003]然而，传统气凝胶的三维纳米孔微结构在高温下会发生坍塌，无法适应日益增长的高温区隔热需求，因此，开发一种具有良好高温稳定性的新型气凝胶隔热材料非常有必要。A2B2O7化合物多年来一直受到研究人员的极大关注。A2B2O7化合物由于其优异的热稳定性和低热导率而被认为在保温隔热领域有广阔的应用前景。近年来，熵稳定氧化物材料逐渐兴起，高熵陶瓷粉体通常指的是由五种及五种以上陶瓷粉体组元组成的固溶体，其中金属元素的含量为等摩尔比或接近等比。此设计理念使得高熵陶瓷粉体具有四大核心效应，分别是高熵效应、晶格畸变效应、迟滞扩散效应和“鸡尾酒”效应，与传统陶瓷粉体材料相比，高熵陶瓷粉体具有优异的高温稳定性，良好的耐环境腐蚀性，可应用于各种极端服役环境，尤其是高温性能温度，但是目前关于高熵陶瓷粉体气凝胶材料的研究无法实际应用，且得到的气凝胶性能有待提升。
[0004]基于以上研究，需要提供一种高熵陶瓷气凝胶材料，所述高熵陶瓷气凝胶材料在室温及高温条件下可以稳定存在，室温导热系数和高温导热系数均较低，能够实际应用于保温隔热领域。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种高熵陶瓷气凝胶材料及其制备方法与应用，所述高熵陶瓷气凝胶材料在室温下以稳定的萤石型结构存在，并且多种稀土元素分布均匀，相较于传统气凝胶材料，高熵陶瓷气凝胶材料具有较低的热导率、较高的热膨胀系数以及良好的高温稳定性。
[0006]为达到此专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0007]第一方面，本专利技术提供了一种高熵陶瓷气凝胶材料，所述高熵陶瓷气凝胶材料包括稀土基高熵陶瓷材料和YSZ纤维基体材料。
[0008]本专利技术所述高熵陶瓷气凝胶材料为稀土基高熵陶瓷材料和YSZ(Yttria
‑
stabilized zirconia，钇稳定氧化锆)纤维基体材料的复合材料，利用萤石型高熵陶瓷材料的耐高温性和纤维材料的网络结构的耦合，使高熵陶瓷气凝胶材料具备较低的导热系数，相较于传统气凝胶材料，所述高熵陶瓷气凝胶材料具有较低的热导率、较高的热膨胀系数以及良好的高温稳定性，克服了传统气凝胶材料不耐高温的缺陷，其常温热导率低于0.030W/(m
·
K)，在600℃时导热系数低于0.050W/(m
·
K)。
[0009]优选地，所述稀土基高熵陶瓷材料的含量为40
‑
50wt％，例如可以是40wt％、42wt％、44wt％、46wt％、48wt％或50wt％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
[0010]优选地，所述YSZ纤维基体材料的直径为200
‑
500nm，例如可以是200nm、250nm、300nm、350nm、400nm、450nm或500nm，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
[0011]优选地，所述稀土基高熵陶瓷材料的化学式为(RE
x1
La
x2
Er
x3
Tm
x4
Yb
x5
)2M2O7，其中，x1+x2+x3+x4+x5＝1，0.1≤x1≤0.3，例如可以是0.1、0.2或0.3，0.1≤x2≤0.3，例如可以是0.1、0.2或0.3，0.1≤x3≤0.3，例如可以是0.1、0.2或0.3，0.1≤x4≤0.3，例如可以是0.1、0.2或0.3，0.1≤x5≤0.3，例如可以是0.1、0.2或0.3，RE包括Gd和/或Eu，M包括Ce和/或Zr优选为(RE
0.2
La
0.2
Er
0.2
Tm
0.2
Yb
0.2
)2Ce2O7。
[0012]第二方面，本专利技术提供了一种如第一方面所述高熵陶瓷气凝胶材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
[0013](1)混合稀土基高熵陶瓷材料、YSZ纤维基体材料、助分散剂和粘结剂，得到混合分散体；
[0014](2)将步骤(1)所述混合分散体进行真空脱气和干燥，得到气凝胶前驱体；
[0015](3)将步骤(2)所述气凝胶前驱体进行煅烧，得到所述高熵陶瓷气凝胶材料。
[0016]本专利技术所述高熵陶瓷气凝胶材料通过稀土基高熵陶瓷材料、YSZ纤维基体材料和粘结剂共同构建了气凝胶材料的骨架结构，通过三者的分散复合，得到混合分散体，然后进行真空脱气等后续步骤能够构建出具备三维网格空间结构的多孔气凝胶材料，使得其能作为保温隔热材料。
[0017]优选地，步骤(1)所述稀土基高熵陶瓷材料采用溶胶
‑
凝胶自燃烧法制得。
[0018]本专利技术采用溶胶
‑
凝胶自燃烧法制备稀土基高熵陶瓷材料，相较于常规的溶胶
‑
凝胶法，溶胶凝胶
‑
自燃烧法合成温度低、能利用部分自身反应热，合成过程快捷简单，产物纯度高。
[0019]优选地，步骤(1)所述稀土基高熵陶瓷材料采用如下方法制备：
[0020](i)混合溶剂、螯合剂、M盐和至少五种稀土金属盐，得到的混合液调节pH后搅拌，得到溶胶；
[0021](ii)将步骤(i)所述溶胶干燥得到干凝胶，再将所述干凝胶加热至自蔓延燃烧，最后再进行烧结，得到所述稀土基高熵陶瓷材料。
[0022]优选地，混合溶剂、螯合剂、M盐和至少五种稀土金属盐包括先将M盐和至少五种稀土金属盐按照配方量与溶剂混合制备成盐溶液，再添加螯合剂。
[0023]优选地，所述溶剂包括水。
[0024]优选地，步骤(i)所述螯合剂与混合液中总金属离子的摩尔比为(1.2
‑
1.5):1，例
如可以是1.2:1、1.3:1、1.4:1或1.5:1，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
[0025]优选地，步骤(i)所述调节pH至5
‑
7，例如可以是5、5.5、6、6.5或7，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
[0026本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高熵陶瓷气凝胶材料，其特征在于，所述高熵陶瓷气凝胶材料包括稀土基高熵陶瓷材料和YSZ纤维基体材料。2.根据权利要求1所述的高熵陶瓷气凝胶材料，其特征在于，所述稀土基高熵陶瓷材料的含量为40
‑
50wt％；优选地，所述YSZ纤维基体材料的直径为200
‑
500nm；优选地，所述稀土基高熵陶瓷材料的化学式为(RE
x1
La
x2
Er
x3
Tm
x4
Yb
x5
)2M2O7，其中，x1+x2+x3+x4+x5＝1，0.1≤x1≤0.3，0.1≤x2≤0.3，0.1≤x3≤0.3，0.1≤x4≤0.3，0.1≤x5≤0.3，RE包括Gd和/或Eu，M包括Ce和/或Zr，优选为(RE
0.2
La
0.2
Er
0.2
Tm
0.2
Yb
0.2
)2Ce2O7。3.一种如权利要求1或2所述高熵陶瓷气凝胶材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：(1)混合稀土基高熵陶瓷材料、YSZ纤维基体材料、助分散剂和粘结剂，得到混合分散体；(2)将步骤(1)所述混合分散体进行真空脱气和干燥，得到气凝胶前驱体；(3)将步骤(2)所述气凝胶前驱体进行煅烧，得到所述高熵陶瓷气凝胶材料。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述稀土基高熵陶瓷材料采用溶胶
‑
凝胶自燃烧法制得；优选地，步骤(1)所述稀土基高熵陶瓷材料采用如下方法制备：(i)混合溶剂、螯合剂、M盐和至少五种稀土金属盐，得到的混合液调节pH后搅拌，得到溶胶；(ii)将步骤(i)所述溶胶干燥得到干凝胶，再将所述干凝胶加热至自蔓延燃烧，最后再进行烧结，得到所述稀土基高熵陶瓷材料。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(i)所述螯合剂与混合液中总金属离子的摩尔比为(1.2
‑
1.5):1；优选地，步骤(i)所述调节pH至5
‑
7；优选地，步骤(i)所述搅拌的温度为80
‑
90℃；优选地，所述螯合剂包括柠檬酸；优选地，所述M盐包括M的硝酸盐，M包括Ce和/或Zr；优选地，所述至少五种稀土金属盐包括La(NO3)3·
6H2O、Er(NO3)3·
6H2O、Tm(NO3)3·
6H2O、Yb(NO3)3·
6H2O和RE(NO3)3·
6H2O，所述RE包括Gd和/或Eu。6.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，步骤(ii)所述加热的温度为200
‑
300℃；优选地，步骤(ii)所述自蔓延燃烧的时间为1
‑
2h；优选地，步骤(ii)所述烧结包括依次进行的一次烧结和二次烧结，所述一次烧结的温度为200
‑
400℃，时间为4
‑
6h；优选地，所述二次烧结的温度为1000
‑
1200℃，时间为4
‑
6h；优选地，步骤(ii)所述烧结结束后还包括退火步骤，所述退火的时间为8
‑
10h。7.根据权利要求3
‑
6任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述混合稀土基高熵陶瓷材料、YSZ纤维基体材料、助分散剂和粘结剂包括：先将稀土基高熵陶瓷材料和YSZ纤维基体材料溶于超纯水中，加入助分散剂进行分散，得到分散液，再将所述分散液与粘结剂
进行混合，得到所述混合分散体；优选地，采用均质器进行所述分散，以及所述分散液与粘结剂的混合；优选地，所述分散的速率为10000
...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴静欣，杨帆，薛丽燕，赵志钢，
申请(专利权)人：中国科学院赣江创新研究院，
类型：发明
国别省市：