[发明专利]一种新型钙钛矿结构高熵陶瓷及其制备方法

说明书

本发明公开一种新型钙钛矿结构高熵陶瓷及其制备方法，其结构为ABO₃型钙钛矿结构，A位元素为Sr，所述B位元素为Zr、Hf、Ce、Yb和Me五种金属元素等摩尔比配比。其制备方法为：先将各组分置于研钵中加入无水乙醇研磨；研磨后置于烘箱中干燥，然后转移至马弗炉中预煅烧，并自然冷却至室温得到陶瓷粉体；取陶瓷粉体于研钵中，加入聚乙烯醇水溶液和无水乙醇再次研磨，待研磨充分后烘干并过筛。将过筛后的陶瓷粉体加入台式粉末压片机的钢模中预压成圆片状或条形块材，再将其放入冷等静压机中进行冷等静压处理，得到陶瓷生坯；最后将陶瓷生坯放入马弗炉中煅烧并随炉冷却，得到新型钙钛矿结构高熵陶瓷。该高熵陶瓷具有稳定性高、低热导率、硬度及致密度均较高的优点。

技术领域

本发明涉及高熵陶瓷材料技术领域。具体地说是一种新型钙钛矿结构高熵陶瓷及其制备方法。

背景技术

高熵陶瓷是在高熵合金的研究基础上将高熵理论引入到无机非金属领域的一种新概念。20世纪90年代末中国台湾清华大学叶均蔚教授提出了高熵的概念，并将其定义为元素种类大于等于5且没有主导元素，并且所有元素的含量在5％～35％之间。而高熵合金是由五种以上的元素组元按照等原子比或接近于等原子比进行合金化得到的一种合金。单相高熵陶瓷主要包括岩盐合金、萤石氧化物、钙钛矿型复合氧化物、其它氧化物以及硼化物、碳化物、氮化物和硅化物等。高熵陶瓷具有低热导率、高熔点、良好的耐腐蚀性和电化学性能等特点，在超高温材料和新能高源材料领域具有潜在的应用价值。

2015年Rost等人成功合成了(Mg_0.2Co_0.2Ni_0.2Zn_0.2Cu_0.2)O岩盐结构单相氧化物陶瓷，证明了在“高熵效应”的驱动下，陶瓷在高温和低温下可形成单相到多相的转变，并由此提出了“熵稳定氧化物”的概念。以MgO-CoO-NiO-ZnO-CuO五元阳离子等价的氧化物体系为模型，每种氧化物的晶体构型、阳离子配位数、阳离子的电负性等不能完全相同，并且这些氧化物之间不能完全固溶，从1000℃到750℃转变的过程中会明显出现第二相，且这个温度转变是可逆的，在这个温度下去掉任何一种氧化物都无法出现第二相。2016年Berardan等发现(MgCuNiCoZn)O基体中的+2价阳离子可被+1、+3价离子取代并保留原有的单相岩盐结构。2017年，Sarkar等利用雾化喷雾热解法、火焰喷雾热解法和反向共沉淀法成功合成了相变可逆的熵稳定纳米单晶粉，同时还发现在特定的补偿温度下，四元的(CoMgNiZn)O也可形成单相固溶体。这表明在无机非金属领域形成高熵材料并不需要五元及以上的条件。2016年Gild等成功合成了高熵超高温硼化物陶瓷，该硼化物的硬度和高温抗氧化性比单独组元的平均值要高。2018年Dabrowa等首次合成了一种单相尖晶石型结构的氧化物陶瓷。此后Jiang等利用机械球磨结合固相烧结法制备了Ba(Zr_0.2Sn_0.2Ti_0.2Hf_0.2Nb_0.2)O₃等一系列B位高熵的钙钛矿型高熵氧化物块体材料。

目前，传统固相法制备出的高熵陶瓷块体存在：烧结样品致密度低、烧结温度高、耗时长、容易存在第二相等问题。因而采用传统固相法很难制备出纯相以及接近理论密度的高熵陶瓷块体材料，使得材料的性能测试出现偏差。另外，闪烧、放电等离子体烧结以及热压烧结等烧结方法也是制备高熵陶瓷的现有技术，但这些技术的烧结工艺较为复杂，对实验设备要求较高，因而难以推广，不能被普遍使用。关于钙钛矿型结构的高熵陶瓷目前报道较少，且没有一个统一的理论基础和完整的研究方法，需要个人和研究学者从实验中不断积累经验，解决该技术领域所面临的难题。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种具有单相结构的新型钙钛矿结构高熵陶瓷及其制备方法，以解决高熵陶瓷材料致密度低、高温热稳定性差以及热膨胀系数与高温合金基体匹配程度差等问题。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：