[发明专利]一种高熵同时稳定A位和B位阳离子的稀土锆酸盐陶瓷及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高熵同时稳定A位和B位阳离子的稀土锆酸盐陶瓷及其制备方法。所述稀土锆酸盐陶瓷包括化学式为Asubgt;2/subgt;Bsubgt;2/subgt;Osubgt;7/subgt;的物质；其中A位阳离子为Sc、Y、La、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu中的四种或四种以上金属阳离子的混合，A位内不同金属阳离子具有相同摩尔含量；B位阳离子为Ti、Hf、Sn、Th和Ce中的三种或三种以上金属阳离子与Zr离子的混合，B位内不同金属阳离子具有相同摩尔含量。本发明所制备的稀土锆酸盐陶瓷具有热导率低、硬度高、断裂韧性优异、物相纯度高和致密度高等特点。

技术领域

本发明属于材料科学与工程技术领域，具体涉及一种高熵同时稳定A位和B位阳离子的稀土锆酸盐陶瓷及其制备方法。

背景技术

高温结构陶瓷要求材料具有高熔点、优异的高温稳定性、突出的力学性质(高硬度、高杨氏模量和高断裂韧性)和化学稳定性等特点，满足上述各种不同条件的情况下材料制备成本低、制备工艺简单和原料来源广等优势将促进材料的大规模应用。

萤石型和焦绿石型结构的稀土氧化物陶瓷材料目前已经在许多领域获得应用，如高温叶片表面防护涂层、火箭发动机防护涂层和耐酸碱腐蚀防护、固态氧化物燃料电池、核废料存储器和耐磨涂层等方面。

当前萤石型和焦绿石型结构的稀土锆酸盐氧化物陶瓷材料存在的问题主要是高温稳定性差，在1500℃以上温度会发生相变；抗核辐射性能差，无法长时间作为核废料存储器材使用；作为热障涂层使用时高温热导率高、热膨胀系数不足；作为固态氧化物燃料电池使用时氧传输能力不足等。

为了解决以上问题需要提高材料中的晶格点缺陷浓度、高温稳定性并优化其他热学性质，同时力学性质如高硬度和高断裂韧性作为结构陶瓷材料的关键参数也必须得到满足。

发明内容

本发明的目的是提供一种高熵同时稳定A位和B位阳离子的稀土锆酸盐陶瓷及其制备方法，制备具有热导率低、硬度高、断裂韧性优异、物相纯度高和致密度高等特点的稀土锆酸盐陶瓷。

为了实现以上目的，本发明采用的技术方案：

本发明公开了一种高熵同时稳定A位和B位阳离子的稀土锆酸盐陶瓷，所述稀土锆酸盐陶瓷包括化学式为A₂B₂O₇的物质；其中A位阳离子为Sc、Y、La、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu中的四种或四种以上金属阳离子的混合，A位内不同金属阳离子具有相同摩尔含量；B位阳离子为Ti、Hf、Sn、Th和Ce中的三种或三种以上金属阳离子与Zr离子的混合，B位内不同金属阳离子具有相同摩尔含量。

本发明还公开了一种高熵同时稳定A位和B位阳离子的稀土锆酸盐陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

(1)按照A₂B₂O₇的化学式分别计量称取A₂O₃和BO₂氧化物，然后升温去除有机杂质并降低原料粉末的反应活性，冷却降温后得到粉末C；

(2)将粉末C球磨混料、干燥、过筛，得到粉末D；

(3)将粉末D进行放电等离子烧结，得到烧结后的块体陶瓷；

(4)将烧结后的块体陶瓷进行升温除碳处理，得到所述稀土锆酸盐陶瓷。

作为优选的技术方案，所述步骤(1)中，将原料粉末置于600-1200℃温度下保温2-10小时，去除有机杂质并降低原料粉末的反应活性。

作为优选的技术方案，所述步骤(3)中，放电等离子烧结的温度为1200-1600℃，压力为100-200MPa，时间为5-15min。