[发明专利]制备纳米晶和非晶复合结构氧化钇稳定氧化锆球形粉方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米晶和非晶复合结构粉末材料制备技术领域，特别涉及一种制备纳米晶和非晶复合结构氧化钇稳定氧化锆球形粉方法。具体说该粉末材料特别适用于等离子体喷涂制备高性能热障涂层。同时，该粉末材料也可用于其它喷涂(等离子喷涂、超音速火焰喷涂、爆炸喷涂、冷喷涂)工艺制备燃料电池电极涂层、氧传感器涂层、耐蚀耐冲刷涂层等多种功能涂层以及用于压制成型、高温烧结工艺制备氧敏传感器、集成电路陶瓷基板等各种陶瓷器件。

背景技术

氧化钇稳定氧化锆陶瓷粉末材料具有低热导率、高热膨胀系数、1400℃下的高温相稳定、抗腐蚀等优异的综合性能，是现今广泛研究、普遍采用的理想热障涂层材料。由于氧化钇稳定的氧化锆中稳定剂Y³⁺的价数与Zr⁴⁺的价数不等，为保持晶体的电中性因而在ZrO₂中产生了氧空位。应用这一性能制备的高温燃料电池固体电解质涂层以及高温燃料电池电极涂层、氧敏感传感器电解质以及氧敏感传感器电极涂层已经有了较深入的研究和应用。另外，该种粉末材料通过压制成型、高温烧结工艺还可用于制备氧敏传感器、集成电路陶瓷基板等各种电子陶瓷器件。

常规制备的氧化钇稳定氧化锆微米结构涂层存在脆性严重、涂层与基体的结合强度低等问题。一些前沿的研究表明，热喷涂制备的氧化钇稳定氧化锆纳米结构涂层在机械性能、热学性能、氧离子导体性能等方面均有明显的提高，因而成为当前研究的热点。侯书恩，王焰新，向龙斌等在CN 1587062A的“纳米结构的钇稳定氧化锆团聚型粉末及其生产方法”中提及了以纳米粉末材料为原料通过控制水(酒精)、纳米粉末材料、添加剂的比例，配置浆料后进行喷雾干燥，最终通过烧结得到氧化钇稳定氧化锆纳米结构粉末材料。该种纳米结构热喷涂粉末材料松装密度相对较低、流动性不高，通常还需要进行高能等离子体处理使其结构致密最终提高其松装密度和流动性能，这一过程大大提高了粉末材料的制备成本和材料损耗，最终导致生产成本高、不易于批量生产。林锋等在《材料科学与工程学报，2006(2)，Vol.24(1)，P：66～69》中的“YPSZ纳米结构热喷涂粉末材料工艺优化研究”，和在《功能材料，2005(11)，Vol.36(11)，P：1769～1771》中的“喷雾干燥YPSZ纳米结构热喷涂粉末材料制备及表征”中针对氧化钇稳定氧化锆纳米结构陶瓷粉末材料的制备方法、制备工艺优化、粉末材料性能等方面进行了更加深入、详细的研究。林锋，于月光，蒋显亮等在《中国有色金属学报，2006(3)，Vol.16(3)，P：482～487》中的“等离子体喷涂纳米结构热障涂层微观组织及性能”中进一步针对采用氧化钇稳定氧化锆纳米结构陶瓷粉末材料通过等离子体喷涂方法制备的纳米结构氧化钇稳定氧化锆涂层的工艺方法、涂层微观组织结构、涂层性能等方面进行了更加深入的研究。通常，将晶体区域或其它特征长度在纳米量级范围(小于100nm)的材料广义定义为纳米结构材料。将通过常规液相沉淀、高温烧结方法制备的晶粒特征长度小于100nm的粉末定义为纳米粉末；而将由纳米晶粒组成的结构均匀、致密的球形、适于喷涂的粉末材料定义为纳米结构热喷涂粉末材料；将采用氧化钇稳定氧化锆纳米结构粉末材料进行热等离子体喷涂制备的由部分纳米晶粒组成的涂层定义为纳米结构涂层。将通过常规液相沉淀、未完全达到晶化温度烧结方法制备的无定形结构的粉末定义为非晶粉末，而非晶粉末往往是伴随着一定比例的纳米晶粒同时出现，因而最终将由纳米晶粒和无定形的非晶晶粒混合组成的结构均匀、致密的球形、适于喷涂的粉末材料定义为纳米结构热喷涂粉末材料。

目前，尚没有关于高性能纳米晶和非晶复合结构的氧化钇稳定氧化锆球形粉末材料的研究及专利报道。本发明采用化学共沉淀、凝胶浆化、喷雾干燥、中低温无定形烧结或高温快速表面烧结等一系列工艺方法制备的纳米晶和非晶复合结构的氧化钇稳定氧化锆球形粉末材料，具有高松装密度、高流动性等特点。利用氧化钇稳定氧化锆热导率极低的特性，通过有效的控制烧结工艺技术，最终得到纳米晶和非晶复合结构的氧化钇稳定氧化锆球形粉末材料。最终制备的氧化钇稳定氧化锆球形粉末材料的微观组织结构为纳米晶和非晶复合的球形结构。本发明制备的纳米晶和非晶复合结构的氧化钇稳定氧化锆球形粉末材料特别适用于等离子体喷涂制备高性能热障涂层，并且粉末的生产工艺流程简单、设备投入小、技术含量高、易于批量生产。

发明内容