[发明专利]一种热障涂层用萤石结构高熵氧化物粉体及其制备方法

说明书

本发明涉及一种热障涂层用萤石结构高熵氧化物粉体及其制备方法，该粉体具有单一的萤石结构，化学分子式为RE₂HE₂O₇，其中RE为稀土元素Y、Ho、Er、Yb、Lu中的一种；HE为Ce、Zr、Hf、Sn、Ti中的至少三种元素，各HE元素的摩尔数与所有HE元素总摩尔数的百分比为10％～30％。制备方法：按比例混合RE₂O₃和HEO₂的原始粉末，加热混合粉末至一定温度发生固相反应，经球磨干燥过筛得到高熵陶瓷粉体。本与现有技术相比，发明高熵氧化物粉体制备的陶瓷材料具有极低的热导率以及较高的热膨胀系数，综合力学性能优良，工艺简单，适用范围广，可应用于陶瓷热障涂层材料领域。

技术领域

本发明属于热障涂层材料及高熵陶瓷技术领域，尤其是涉及一种热障涂层用萤石结构高熵氧化物粉体及其制备方法。

背景技术

陶瓷热障涂层(Thermal barrier coatings,TBCs)材料在燃气轮机、航空航天和大型火力发电等领域有着广泛而重要的应用。为了提高燃气轮机燃气效率，发展更先进的燃气轮机，未来燃气轮机涡轮叶片的使用温度将越来越高，而热障涂层材料的耐受温度必须到达此温度。目前应用于高温领域的陶瓷热障涂层材料仍是以氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)为主，但目前商业化应用的YSZ热障涂层材料也存在很多问题：如高温相稳定性，YSZ材料在较高温度下(＞1200℃时)会由单一的立方相转变为四方相(t)和立方相(c)的混合物，冷却过程中四方相又会转变为单斜相(m)，故YSZ仅能在温度1200℃以下使用，不能满足未来燃气轮机在更高温度下服役的需求。此外，YSZ材料在1000℃时热导率为2.3(W·m^-1·K^-1)，在相对于更好地保护基体、更高的使用温度下，热导率值仍然偏高。

随着高性能燃气轮机的研发不断取得进展，涡轮前进口温度大幅度提高，亟需开发性能更高的热障涂层材料体系。然而，严苛的工作环境使热障涂层材料的选择十分有限。目前，限制热障涂层材料应用的相对比较严重的三大问题为：(1)高温使用时相结构稳定性问题；(2)陶瓷热障涂层材料热导率偏高；(3)陶瓷涂层材料与金属基底热膨胀系数匹配性问题。

近年来，“高熵”材料的出现在众多领域提供了一种新的材料设计思路，其优异的性能也激励着人们不断研究，目前已成为材料研究领域的一大热点。高熵材料的概念最初来自高熵合金，而随着研究的不断深入，高熵的概念逐渐拓展到其他材料中，如高熵金属玻璃、高熵陶瓷、高熵热电材料、高熵聚合物等。其中高熵氧化物陶瓷有望成为新的热障涂层材料，其优势在于：(1)相结构稳定性好，由于在高熵氧化物中熵在自由能中起主导作用，使得其相结构随着温度升高而更加稳定，因此高熵氧化物在高温时不易发生化学分解和结构突变。(2)热导率低，由于在高熵氧化物中存在多个组元，不同种类元素之间的质量差距和半径差距将增加晶格格波的非谐性，增强声子与缺陷散射，从而降低材料的热导率。除此之外，通过合理的设计成分，可以使高熵氧化物陶瓷的力学性能和热膨胀系数获得提高。

专利CN 110272278 A报道了一种焦绿石结构高熵稀土锆酸盐陶瓷材料，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％，极低的热导率使其有望成为潜在的热障涂层材料。但是该陶瓷材料热膨胀系数较低，限制了其应用。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种热导率低、热膨胀系数高，综合力学性能优良的热障涂层用萤石结构高熵氧化物粉体及其制备方法。