一种具有钙钛矿结构的热障涂层材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种具有钙钛矿结构的热障涂层材料及其制备方法，该热障涂层材料的化学组成为(A1‑

【技术实现步骤摘要】
一种具有钙钛矿结构的热障涂层材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于高温防护涂层
，涉及一种陶瓷热障涂层材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]热障涂层材料在工业制造、军事国防、航天航空等领域都有非常重要的应用。例如，对于航空发动机来说，其高压涡轮需要承受超高温高速燃气带来的热冲击，这对其热障涂层材料提出了极高的要求。传统发动机热障涂层多采用钇的氧化锆基陶瓷材料(比如8％钇掺杂的氧化锆，简称8YSZ)。然而，随着温度升高，氧化锆基陶瓷材料的性能迅速下降。具体表现为材料氧化，热导率增加，从而导致热障涂层失效。另外，目前四代航空发动机涡轮前温度已经达到1600℃，未来有可能超过2000℃，这是目前已有热障涂层材料所无法承受的温度。因此，寻找性能更好、成本更低、工作温度更高的热障涂层材料已成为研制下一代高性能航空发动机的关键。

技术实现思路

[0003]针对现有技术中存在的不足，本专利技术的目的在于，提供一种具有钙钛矿结构的热障涂层材料及其制备方法，本专利技术热障涂层材料具有与Al2O
3f
/Al2O3陶瓷基复合材料相匹配的热膨胀系数，同时具有非常致密的结构、低热导率、极高的维氏硬度及弹性模量。
[0004]为了解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案予以实现：
[0005]一种具有钙钛矿结构的热障涂层材料，该热障涂层材料化学组成式为(A1‑
x
M
x
)(B1‑
y
N
y
)O3，0≤x≤1；0≤y≤1；属ABO3钙钛矿型结构；
[0006]M和N是添加元素，M处于A位，N处于B位；A位元素的价态为+1价、+2价或+3价，B位元素的价态为+2价、+3价、+4价、+5价或+6价；
[0007]A和M选自以下元素中的一种或多种：Ba、Sr、K、Na、Bi、Ca、Li、La、Pb；
[0008]B和N选自以下元素中的一种或多种：Zr、Ti、Sn、Hf、Mg、Nb、Ta、Y、Sm、Sc、Ce、Al、Fe、Mn、Pr、Co、Nd、Eu、V、Mo、W、Si。
[0009]本专利技术还包括如下技术特征：
[0010]具体的，该热障涂层材料的原料为各组成元素的氧化物，各原料纯度均高于99％。
[0011]具体的，该热障涂层材料为Ba(Zr
0.2
Ti
0.2
Sn
0.2
Hf
0.2
Nb
0.2
)O3。
[0012]具体的，该热障涂层材料的原料包括BaCO3粉、ZrO2粉、TiO2粉、SnO2粉、HfO2粉和Nb2O5粉。
[0013]一种所述的具有钙钛矿结构的热障涂层材料的制备方法，包括以下步骤：
[0014]根据化学组成式中的配比称取上述各原料；依次通过球磨、预烧、造粒、压片成型和烧结，得到具有钙钛矿结构的热障涂层材料。
[0015]具体的，球磨转速为400转/分钟，球磨时间为24小时。
[0016]具体的，预烧温度为1350℃的空气环境，预烧时间为3小时。
[0017]具体的，烧结温度为1650℃的空气环境，烧结时间为2小时。
[0018]所述的具有钙钛矿结构的热障涂层材料的制备方法所制备的热障涂层材料作为航空涡轮发动机和燃气轮机高温环境工作设备表面涂层材料的应用。
[0019]本专利技术与现有技术相比，具有如下技术效果：
[0020](1)本专利技术的材料具有钙钛矿结构，第一次使用在热障涂层方面。
[0021](2)本专利技术热障涂层材料具有与Al2O
3f
/Al2O3陶瓷基复合材料相匹配的热膨胀系数，同时具有非常致密的结构、低热导率、极高的维氏硬度及弹性模量。
[0022](3)本专利技术热障涂层在25～1400℃的平均热膨胀系数为9.00
×
10
‑6/℃，热导率为1.974W
·
m
‑1·
K
‑1(1200℃)；维氏硬度为11.82GPa。
[0023](4)本专利技术制备方法是通过简单的烧结工艺对陶瓷进行烧结；制备的钙钛矿陶瓷具有结构简单优点。
[0024](5)本专利技术热性能稳定，随着温度的增加，样品的热膨胀系数与Al2O
3f
/Al2O3陶瓷基复合几乎相等，热导率都保持在一个较低的水平，具有替代目前最主流的热障涂层材料8YSZ的潜力。
[0025](6)本专利技术制备方法简单，制备效率和产品合格率高，具有很好的应用推广性；本专利技术的试剂和原料均市售可得；热障涂层材料，性能稳定，环境友好。
[0026](7)本专利技术降低陶瓷材料热导性能的原理具有可扩大至其他材料的可能性。基于此原理，发现应用于高温防护涂层
的各项性能都满足的最优热障涂层的陶瓷材料。
附图说明
[0027]图1为本专利技术热障涂层材料体系示意图。
[0028]图2为本专利技术实施例制备的材料的θ～2θ扫描图。
[0029]图3为本专利技术(A1‑
x
M
x
)(B1‑
y
N
y
)O3陶瓷的热膨胀系数示意图。
[0030]图4为本专利技术(A1‑
x
M
x
)(B1‑
y
N
y
)O3陶瓷的热扩散系数和热导率示意图。
[0031]图5为本专利技术(A1‑
x
M
x
)(B1‑
y
N
y
)O3陶瓷的维氏硬度示意图。
具体实施方式
[0032]本专利技术提供一种具有钙钛矿结构的热障涂层材料及其制备方法，该热障涂层材料的化学组成为(A1‑
x
M
x
)(B1‑
y
N
y
)O3，属ABO3钙钛矿型结构；0≤x≤1；0≤y≤1；
[0033]M和N是添加元素，M处于A位，N处于B位；A位元素的价态为+1价、+2价或+3价，B位的元素的价态为+2价、+3价、+4价、+5价或+6价；
[0034]A和M选自以下元素中的一种或多种：Ba、Sr、K、Na、Bi、Ca、Li、La、Pb；
[0035]B和N选自以下元素中的一种或多种：Zr、Ti、Sn、Hf、Mg、Nb、Ta、Y、Sm、Sc、Ce、Al、Fe、Mn、Pr、Co、Nd、Eu、V、Mo、W、Si；
[0036]添加元素M，N可以是同价的添加元素，也可由不同价态的元素的组合构成(例如也可以用(平均价数为2+)置换A
2+
位点；也可以用(平均价数为4+)置换B
4+
位点)。下表列举了A,B位元素及相关参数：
[0037]表1A,B位元素及相关参数
[0038][0039][0040]本专利技术材料的原料为A、B、M、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有钙钛矿结构的热障涂层材料，其特征在于，该热障涂层材料化学组成式为(A1‑
x
M
x
)(B1‑
y
N
y
)O3，0≤x≤1；0≤y≤1；属ABO3钙钛矿型结构；M和N是添加元素，M处于A位，N处于B位；A位元素的价态为+1价、+2价或+3价，B位元素的价态为+2价、+3价、+4价、+5价或+6价；A和M选自以下元素中的一种或多种：Ba、Sr、K、Na、Bi、Ca、Li、La、Pb；B和N选自以下元素中的一种或多种：Zr、Ti、Sn、Hf、Mg、Nb、Ta、Y、Sm、Sc、Ce、Al、Fe、Mn、Pr、Co、Nd、Eu、V、Mo、W、Si。2.如权利要求1所述的具有钙钛矿结构的热障涂层材料，其特征在于，该热障涂层材料的原料为各组成元素的氧化物，各原料纯度均高于99％。3.如权利要求1所述的具有钙钛矿结构的热障涂层材料，其特征在于，该热障涂层材料为Ba(Zr
0.2
Ti
0.2
Sn
0.2
...

【专利技术属性】
技术研发人员：娄晓杰，乔文婧，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：