[发明专利]一种固溶体型 (La2-xGdx) (Zr2-yCey)O7隔热陶瓷及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及陶瓷材料技术领域，具体而言，涉及一种固溶体型 (La_2-xGd_x) (Zr_2-yCe_y)O₇隔热陶瓷及其制备方法。

背景技术

高超声速航空航天飞行器是21世纪世界航空航天事业发展的一个主要方向，随着飞行器飞行速度与航时进一步提高，高超声速飞行器在飞行过程中将遭遇到更为严重的气动加热环境，尤其在飞行器的头部、机翼前缘和尾翼的气动加热最为明显。气动加热使高超声速飞行器表面温度的升高使内部产生很大的温度梯度，必然引起热变形和热应力的产生，当应力超过极限时，飞行器就会造到破坏，增大了飞行器的安全隐患。为了克服气动加热造成的不利影响，在极端热环境和苛刻的负载条件下实现飞行器结构件的安全服役，开发具有高熔点、低热导、高强度、良好耐腐蚀性能的隔热材料是最为可行的方案之一。

基于高超声速飞行器的运行环境，陶瓷材料因具有高熔点、低热导率、耐热腐蚀等优点成为最热门的热防护材料。目前，研究最成熟的ZrO₂陶瓷具有高熔点、低热导率、高热膨胀系数等优良性能，成为高速飞行器的最主要的工程化用热防护材料。但是，因为纯的ZrO₂材料在1170℃会发生晶型转变而引起4~6%的体积变化，在热循环过程中因产生很大的应力集中导致微裂纹的产生，使保护层失效。即使通过晶型稳定剂改性使其具有结构稳定性，但其工作温度上限和较高的高温热导率逐渐不能满足超高速飞行速度下更剧烈的气动加热对材料热防护能力的要求。

目前，国内外大力开发不同体系的隔热材料，以加速实现高超声速飞行器的研制。其中稀土锆酸盐、石榴石、碱土金属锆酸盐、六角晶系铝酸镧和磷酸镧等体系是主要新体系隔热材料。

稀土锆酸盐材料因具有特殊晶体结构与性能受到广泛关注。通过我们的研究发现，属于稀土锆酸盐陶瓷中的锆酸镧陶瓷熔点高，抗氧化能力强，在达到熔点之前都不会发生相变，为单一的焦绿石结构，表现出非常优良的结构热稳定性。而且，锆酸镧具有复杂的烧绿石型结构能够增强声子散射，从而有效地降低热导率，这种材料较低的热导率使其具有良好的隔热性能。在力学方面，锆酸镧陶瓷具有高硬度、高强度、高弹性模量、耐磨损等一系列优良的力学性能。因此，锆酸镧陶瓷比氧化锆陶瓷具有更好的热防护能力，能够成为超高速飞行器在更好热环境下对隔热材料的要求。

通过研究发现，可以通过固溶、取代等方式引入点缺陷的方法进一步降低锆酸镧陶瓷的热导率。当引入原子与本身晶格原子的原子半径和原子量相差越大，就越有利于降低材料的热导率，进一步提升其隔热性能。另外，部分稀土元素固溶时可以有效促进锆酸镧陶瓷的高温烧结致密化过程，使其具有更加均匀的结构、更高的致密度和力学强度。因此，稀土固溶改性是实现低热导率、高力学强度的稀土锆酸盐热防护材料的有效改性方法。通过文献调研发现，以Eu、 Sm、Nd 、Yb等稀土元素进行固溶改性的方法更注重对作为一种锆酸镧涂层材料热导率的影响，对锆酸镧作为一种陶瓷块体材料及其力学性能的研究很少。因此，本专利主要以固溶稀土元素对锆酸镧块体陶瓷进行固溶改性，从热导率和力学强度性能为研究重点，制备出固溶体型(La_2-xGd_x) (Zr_2-yCe_y)O₇隔热陶瓷。

发明内容

本发明的目的是突破现有高温隔热材料性能对更加极端温度环境下超高声速航空航天飞行器的限制，提供了一种固溶体型 (La_2-xGd_x) (Zr_2-yCe_y)O₇隔热陶瓷及其制备方法。

固溶体型 (La_2-xGd_x) (Zr_2-yCe_y)O₇隔热陶瓷的化学式为(La_2-xGd_x) (Zr_2-yCe_y)O₇，其中0.2≤x≤1.0，0.01≤y≤1.0，致密度大于90%，压缩强度为200~700MPa，热导率为0.97~2.47W/(m·K)。