[发明专利]一种多级纳米结构钇掺杂的氧化锆(YSZ)粉体及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种多级纳米结构钇掺杂的氧化锆(YSZ)粉体及其合成方法，可应用于高温热防护涂层领域。

背景技术

热障涂层(TBCs)是目前最先进的高温防护涂层之一,主要用于高温发动机热端部件，用以提升发动机的入口温度，从而提高燃油的使用效率；更能保护基体抵御高温环境的腐蚀，延长热端部件的使用寿命。此外，热障涂层基于其隔热、耐腐蚀的特点，也可用于高炉风口，使基底材料免受风口热流极端温度环境的侵蚀，延长高炉的使用寿命。

由此可见，热障涂层主要作业于高温大气或具有热腐蚀性的静/动态气氛中，工作环境恶劣,易受高温氧化，热腐蚀，热冲击，流体冲蚀等多种侵害。热障涂层材料的选择标准是：高熔点；低热导率；工作温度范围内良好的相稳定性；与金属基材热膨胀匹配(α>10×10^-6K^-1)；抗烧结。其中低热导是热障涂层实现热防护功能的最关键性能，是选择热障涂层陶瓷材料的最重要指标之一。经上述要求筛选，目前应用最广泛、综合性能最优异的热障涂层陶瓷材料是钇掺杂的氧化锆(YSZ)，其熔点达到2700℃，块体导热系数为2.17W/(m·K)，线膨胀系数是11～13×10^-6K^-1。

降低热导率可以进一步提升热障涂层的隔热效果，增大陶瓷层两侧的温降，显著降低金属基体的表面温度。此外，在燃气轮机涡轮叶片的设计中，陶瓷层材料热导率的降低还能使更薄的涂层达到相同的温降要求，从而减轻叶片重量，提高发动机的热效率，增加其推重比(曲岳峤，对热障涂层陶瓷层材料性能要求的探究.实践与研究，6，2011:250)。

目前的研究主要有通过对YSZ表面进行包覆，制备成具有核壳结构的热障涂层粉体来提高涂层抗烧结性和隔热性能(赵君，郑学斌，CN102503419A，一种YSZ基复合热障涂层材料及其制备方法)。

此外，许多科研工作者通过改进和优化YSZ涂层的微观结构来提高涂层的工作温度、使用寿命和隔热性能。TBCs的寿命与陶瓷层的热机械性能以及微观结构紧密相关。一般而言，一定数量的孔隙和微裂纹有利于抗热冲击性能的提高(热喷涂技术(J.Therm.Spray Technol.)，13(3)，2004：432；Surf.Coat.Technol.(表面涂层技术)，190(2–3),2005：378)。

在热循环过程中，微裂纹和孔隙作为应力集中之后的能量释放场所，可以起到提高涂层的应力容限的作用。以等离子喷涂而言，涂层的微观结构由喷涂工艺参数和给料特性决定。针对粉体特征(比如颗粒密度、粒径大小)和喷涂工艺参数对YSZ涂层微观结构和性能的影响，科研工作者已做了大量的研究(Acta Mater.（材料学报），51,2003：5319；Acta Mater.（材料学报），49,2001：1661)。

但是，目前的研究仅仅局限于涂层结构中孔隙和微裂纹的研究，对于粉体形貌对其热导率的影响尚未见相关报道，而关于特定形貌YSZ粉体合成的报道也很少见。

综上所述，本领域缺乏一种制备特定形貌的YSZ粉体，并将其应用于热障涂层领域的技术方案。

发明内容

本发明的第一目的在于获得一种可应用于热障涂层的并具有特定形貌的钇掺杂氧化锆(YSZ)粉体。

本发明的第二目的在于获得一种可应用于热障涂层的并具有特定形貌的钇掺杂氧化锆(YSZ)粉体的制备方法。

本发明的第三目的在于获得一种可应用于热障涂层的并具有特定形貌的钇掺杂氧化锆(YSZ)粉体的用途。

在本发明的第一方面，提供了一种多级纳米结构钇掺杂氧化锆(YSZ)粉体，其中，

所述粉体具有花状结构，所述花状结构为片状多晶结构自组装而成的多级纳米结构，其内部由多层褶皱片状多晶结构堆积而成；

所述花状结构的整体粒径最大不超过15μm。

在一个具体实施方式中，所述花状结构的形貌为有缺口的花球团簇状。

更具体的，每个粉体颗粒的外观接近有缺口的球状，平均直径为1～15μm，缺口为凹坑状，占据整个球体积的10～25%。最具体的，所述花状结构由厚度为20～50nm的鱼鳞状薄片组成。通常，所述薄片由内而外呈放射状排列，组成有凹坑状缺口的球状结构。

在一个具体实施方式中，所述粉体为四方相粉体。

在本发明的一个具体实施方式中，所述花状结构的粒径分布中，粒径在2～8μm的粉体占所述粉体摩尔数的85%以上；其余为粒径在2μm以下的粉体以及粒径在8μm以上且不大于15μm的粉体。