[发明专利]一种Yb3+/Ce4+共掺杂La2Zr2O7高温耐火隔热陶瓷材料及制备方法

说明书

本发明公开了一种Yb³⁺/Ce⁴⁺共掺杂La₂Zr₂O₇高温耐火隔热陶瓷材料及制备方法，以柠檬酸为螯合剂，与金属离子在分子水平配位形成水溶性金属羧酸盐螯合物，通过凝胶网络中的COO^‑与NO₃^‑发生原位氧化‑还原反应制得高温隔热陶瓷材料，该陶瓷材料的化学组成为La_2‑xYb_xZr_2‑yCe_yO₇，其中0≤x≤0.5，0≤y≤0.5。本发明制得的Yb³⁺/Ce⁴⁺共掺杂La₂Zr₂O₇高温耐火隔热陶瓷材料，具有高熔点、低热导率、高热膨胀系数、低烧结速率、低弹性模量及高温相组成稳定等优点。

技术领域

本发明涉及无机非金属材料技术领域，特别是一种Yb³⁺/Ce⁴⁺共掺杂La₂Zr₂O₇高温耐火隔热陶瓷材料及制备方法。

背景技术

随着工业高温技术的不断进步，耐火材料的服役环境更加苛刻，对于耐火材料的性能要求更高。在满足材料高耐火度的同时，耐火材料更要具备高温阻热的要求，即材料体系需要具备较低的本征热导率。目前应用最广泛的耐火隔热材料为7～8wt%氧化钇稳定氧化锆（YSZ）陶瓷材料，但YSZ材料在工作温度高于1200°C时发生四方亚稳相（t'）向四方相（t）转变，冷却过程中发生四方相（t）向立方相（c）、单斜相（m）的转变造成的体积变化，致使涂层开裂失效；另外YSZ材料高温易烧结，导致热导率升高、弹性模量增加、断裂韧性降低等问题，已不能满足新一代高温技术对耐火度高、隔热性能优良、服役寿命长的要求。

锆酸镧属于烧绿石型晶体结构（如附图1所示），具有高熔点、热导率低、高温化学稳定性好、室温至熔点无相变、低杨氏模量及抗烧结等优点，是高温隔热耐火材料的重要候选材料。但其热膨胀系数较低（～9.1×10^-6/K，T=1073K），与金属基底不匹配，限制其在高温隔热领域应用。通过离子掺杂，特别是采用半径大的离子取代晶格位的小半径离子，造成离子键合的松弛，即晶体结合能的减小，进而实现热膨胀系数的提高。研究发现，通过在La3+晶格位掺杂稀土离子，可引入点缺陷，增强声子散射；在Zr⁴⁺晶格位掺杂大离子半径的Ce⁴⁺可以因高温下Ce³⁺/Ce⁴⁺之间的转变造成热膨胀系数的显著提高。

发明内容

本发明的目的是要解决现有技术中存在的不足，提供一种Yb³⁺/Ce⁴⁺共掺杂La₂Zr₂O₇高温耐火隔热陶瓷材料及制备方法，制得的陶瓷材料可以在室温～1873K下使用，具有高温耐火、隔热、低热导率、高膨胀系数。

为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：

一种Yb³⁺/Ce⁴⁺共掺杂La₂Zr₂O₇高温耐火隔热陶瓷材料，该陶瓷材料的化学组成为La_2-xYb_xZr_2-yCe_yO₇，其中0≤x≤0.5，0≤y≤0.5。