[发明专利]一种用于热障涂层的陶瓷纳米复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于陶瓷纳米复合材料技术领域，尤其涉及一种用于热障涂层的陶瓷纳米复合材料及其制备方法。

背景技术

陶瓷热障涂层(ThermalBarrierCoatings,TBCs)是目前最先进的高温防护涂层之一，具有良好的高温化学稳定性、抗冲刷性和隔热性等特点，可以有效地缓解金属基体材料的高温氧化和腐蚀，并能降低金属基体表面的工作温度，提高燃油经济性，而且可极大的延长涡轮发动机的寿命，自20世纪70年代初问世以来受到广泛重视并得到迅速发展。

近年来，随着航空燃气涡轮发动机向高流量比、高推重比、高进口温度方向发展，燃烧室中的燃气温度和压力也不断提高。目前，推重比10级航空发动机的设计出口温度已达到1577℃以上，因此，航空发动机涡轮叶片的合金材料表面需喷涂陶瓷热障涂层以承受1600℃以上的涡轮进口温度。6wt.％-8wt.％氧化钇稳定的ZrO₂（YSZ）是目前使用最广泛的陶瓷热障涂层材料。由于YSZ的长期使用温度不能超过1200℃，随着温度升高，相变加剧，易烧结，氧传导率高，过渡金属易被氧化，导致涂层早期失效，已难以满足进一步提高涡轮进口温度的需要。

稀土改性SrZrO₃具有很高的结构稳定性、低热导率以及抗烧结的特点，是高温热障涂层的候选材料（W.Ma,D.Mack,J.Malzbender et al.,Yb₂O₃and Gd₂O₃ doped strontium zirconate for thermal barrier coatings,J.Eur.Ceram.Soc.28(16)(2008),pp.3071-3081）。德国专利DE19801424公开了可以用于1000℃以上的陶瓷高温隔热材料，具体为具有烧绿石结构的La₂Zr₂O₇和具有钙钛矿结构的BaZrO₃与SrZrO₃。稀土锆酸盐（Ln₂Zr₂O₇，Ln=La，Nd，Sm，Eu，Gd，Dy）具有相对较低的热导率和氧传导率，但其热膨胀系数相对较低、韧性较差。钙钛矿结构锆酸锶（SrZrO₃）具有相对较高的热膨胀系数和优异的高温化学稳定性，但其热导率相对较高、韧性较差。

目前，上述材料的制备方法主要是高温固相反应法。采用SrCO₃、Ln₂O₃（Ln=La，Nd，Sm，Eu，Gd，Dy）和ZrO₂为原料，经球磨、烘干、煅烧合成，煅烧温度通常在1400℃以上，煅烧时间长，需要多次重复上述过程才能得到所需材料，耗时长、耗能高。

发明内容

本发明提供了一种用于热障涂层的陶瓷纳米复合材料及其制备方法，旨在解决现有技术提供的用作陶瓷热障涂层的材料，不能同时具备较高的热膨胀系数、优异的高温化学稳定性、热导率相对较低、韧性较高的性能，难以满足进一步提高涡轮进口温度的需要，以及制备上述材料时煅烧时间长、制备过程复杂、耗时长、耗能高的问题。

本发明的目的在于提供一种用于热障涂层的陶瓷纳米复合材料，该陶瓷纳米复合材料的化学组成为(Sr_1-xLn_x)ZrO_3+δ；

其中，0.1≤x≤0.9，Ln为La、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy中的一种或一种以上的组合。

进一步，所述陶瓷纳米复合材料中各相的晶粒尺寸均小于70nm。