[发明专利]高熵稀土铪酸盐陶瓷材料及其制备方法

说明书

本发明涉及极端环境热障、环境障陶瓷材料领域，具体为一种低热导率的高熵稀土铪酸盐(RE'_0.2RE_0.2Ho_0.2Er_0.2Tm_0.2)₄Hf₃O₁₂陶瓷材料及其制备方法。高熵稀土铪酸盐的化学式为(RE'_0.2RE_0.2Ho_0.2Er_0.2Tm_0.2)₄Hf₃O₁₂，其中RE'为La或者Yb，RE为Gd或者Lu。制备过程具体为：以氧化镧粉、氧化钆粉、氧化钬粉、氧化铒粉、氧化铥粉、氧化镱粉、氧化镥粉和氧化铪粉为原料，经湿法混合，在空气气氛下无压烧结；再在通有保护气氛的热压炉内烧结，获得高熵稀土铪酸盐材料。本发明制备出具有高纯度、低热导率的(RE'_0.2RE_0.2Ho_0.2Er_0.2Tm_0.2)₄Hf₃O₁₂陶瓷材料。

技术领域

本发明涉及极端环境热障、环境障陶瓷材料领域，具体为一种低热导率的高熵稀土铪酸盐(RE′_0.2RE″_0.2Ho_0.2Er_0.2Tm_0.2)₄Hf₃O₁₂陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

高推重比航空发动机中热结构部件面临极端的燃气环境，发展综合性能优异的多功能热障/环境障一体化涂层可以解决陶瓷基复合材料热结构部件在航机极端燃气环境中的热障涂层和环境障涂层的复合需求，大幅度提升发动机的推重比和长期服役稳定性。氧化钇稳定氧化锆(YSZ)和稀土锆酸盐(RE₂Zr₂O₇)由于其良好的隔热性能，是目前广泛使用的热障涂层。相比稀土锆酸盐，稀土铪酸盐具有更高的熔点，可以在更高温度下使用；同种稀土元素的铪酸盐表现出比锆酸盐低的热膨胀系数，与陶瓷基复合材料相匹配；且萤石结构稀土铪酸盐(RE₄Hf₃O₁₂)中稀土元素含量更高，预期具有更优异的耐环境腐蚀能力；使得稀土铪酸盐作为陶瓷部件防护涂层应用具有更大优势(W.P.Hu,et al.J Mater.Sci.Technol(材料科学与技术会刊).2019(35)2064-2069.)。

近年来，一类名为熵稳定氧化物(Entropy stabilized oxide)的新材料引起研究者的广泛关注，定义为含有“等摩尔或近等摩尔比”的多个主要元素(五个或以上)的单相复杂固溶体(Y.F.Ye,et al.Mater.Today(今日材料)2016(19)349-362.)。有文献报道通过放电等离子烧结制备出多种具有高构型熵的萤石结构单相固溶体，这些高熵萤石氧化物表现出较高的硬度、较低的电导率以及优异的低热导性能(J.Gild,et al.J.Euro.Ceram.Soc.(欧洲陶瓷学会会刊)2018(38)3578-3584.)。熵稳定氧化物可以丰富材料的多样性，呈现优异的性能。本发明中合成了具有缺陷萤石结构的高熵稀土铪酸盐：(RE′_0.2RE″_0.2Ho_0.2Er_0.2Tm_0.2)₄Hf₃O₁₂，以能够形成缺陷萤石结构的Ho、Er、Tm为基，分别引入半径较大的La和Gd或者半径较小的Yb和Lu，通过原子尺寸、质量差别效应改善材料性能。

发明内容