[发明专利]热障涂层用高熵陶瓷粉体及其制备方法

说明书

本发明公开了一种热障涂层用高熵陶瓷粉体，其特征在于，所述陶瓷粉体具有焦绿石结构，化学式为RE₂Zr₂O₇，其中RE为稀土元素Y、La、Pr、Nd、Sm、Eu和Gd中的任意3～7种不同的金属元素，各RE元素的摩尔数与所有RE元素总摩尔数的百分比为5％～35％。制备方法为：将RE₂O₃粉体与ZrO₂粉体混合，将混合粉体于1000～1700℃的加热条件下，在空气气氛中，加热1～10h，制得高熵陶瓷粉体。本发明制备的高熵陶瓷粉体，丰富了热障涂层材料的体系，具有成本低、简单易行、适用范围广等优点，有望应用于热障涂层领域。

技术领域

本发明涉及一种热障涂层用高熵陶瓷粉体及其制备方法，属于热障涂层材料技术领域。

背景技术

焦绿石结构的稀土锆酸盐(RE₂Zr₂O₇，其中，RE是一种稀土元素，或掺杂另一种稀土元素)具有低导热性，与金属基材相容，在高温下具有高稳定性和良好的耐烧结性等优点，可作为热障涂层材料使用。如，应用于燃气轮机或喷气发动机的金属合金表面，以使金属基底在长期服役过程中免于过热失效。RE₂Zr₂O₇的低导热性优于目前广泛使用的YSZ，并且在高温长时间使用过程中物相和结构依然稳定，甚至可以将热障涂层材料的使用温度提高至1300℃以上。热障涂层材料的目标热导率是低于1W·m^–1·K^–1，但是稀土锆酸盐的固有热导率依然较高。因此进一步降低稀土锆酸盐的热导率依然是材料领域重要的研究目标。

研究发现，引入缺陷(例如空位，置换和晶格畸变)已经被证明可以有效地降低焦绿结构RE₂Zr₂O₇固有热导率[M Zhao,et al.,Journal of European Ceramic Society 37(2017)1-13]。另有研究表明，通过设计材料的成分合成的高熵碳化物，利用高熵效应和晶格畸变可以有效降低碳化物的热导率，最终得到的高熵碳化物热导率显著低于单相二元碳化物[X Yan,et al.,Journal of American Ceramic Society 101(2018)4486-4491]。因此，将高熵化方法应用于稀土锆酸盐体系将有希望进一步减低RE₂Zr₂O₇热障涂层材料的热导率，提升材料性能。

通过将5种或更多元素等摩尔比或近等摩尔比制备成某种结构的固溶体，显著增加材料的熵值，构型熵稳定的单相化合物，是一种显著有效的获得高性能陶瓷材料的途径。如具有岩盐结构或简单六方结构的高熵碳化物，硼化物和硅化物已通过固相反应和高温烧结成功制备，这些高熵材料均具有优异的特性。至于氧化物陶瓷，单相的高熵岩盐(AO)，萤石(AO₂)，钙钛矿(ABO₃)和尖晶石(AB₂O₄)结构也已有报道，其中A和B是金属元素。研究发现，高熵氧化物具有高室温Li⁺电导率，优良的催化性能，极高的介电常数等特性。如，硅酸盐体系的高熵氧化物(5RE_0.2)₂Si₂O₇就具有极高稳定性在1300℃，并且表现出了优良的耐腐蚀性[Y Dong,et al.,Journal of European Ceramic Society 39(2019)2574-2579]。但是，目前尚未见有关焦绿石结构的高熵锆酸盐报道。通过合理设计焦绿石结构的稀土锆酸盐的组分和制备工艺，有希望制备出具有焦绿石结构的、低导热的高熵稀土锆酸盐材料，对热障涂层材料的发展和应用具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的问题是：提供一种热障涂层用高熵陶瓷粉体及其制备方法。

为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案如下：