[发明专利]一种具有极低热导率的B位高熵烧绿石型陶瓷气凝胶及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种具有极低热导率的B位高熵烧绿石型陶瓷气凝胶及其制备方法和应用，该高熵块体陶瓷气凝胶化学分子式为Sm₂(Y_0.2Nb_0.2Sn_0.2Ti_0.2Zr_0.2)₂O₇，其晶体结构为烧绿石型结构。该系列B位高熵烧绿石型陶瓷气凝胶，具有极低的热导率和极好的高温稳定性。该高熵烧绿石型陶瓷气凝胶适合用作高温隔热涂层和抗腐蚀涂层等领域。该B位高熵烧绿石型陶瓷气凝胶填补了高熵陶瓷气凝胶的研究空白，丰富高熵材料体系，同时拓展高熵陶瓷的应用范围。该方法具有工艺简单、成本低廉、原料来源广泛、所制备的产物纯度高、产量大适合大规模生产、应用范围广等的优点。

技术领域

本发明属于高熵陶瓷材料制备技术领域，涉及一种具有极低热导率的B位高熵烧绿石型陶瓷气凝胶及其制备方法和应用。

背景技术

气凝胶是一种具有非常高孔隙率、高比表面积的三维网络状结构的结构与功能一体化的材料。气凝胶具有丰富的纳米级孔洞，使其能有效抑制材料的固体热传导和气体对流传热，是一种性能优异的新型隔热材料。此外，丰富的孔道结构和高的比表面积也使其在催化、吸波、过滤、储能等领域有着广泛的应用。

自从Rost等人首次合成高熵陶瓷，由于其具有高的热稳定性、低的热导率、成分可调整等性质而受到广泛关注。(文献“Entropy-stabilized oxides[J].NatureCommunication,2015,6:8485.”)随着研究的深入，高熵A₂B₂O₇型氧化物陶瓷逐渐被发现，并被广泛应用于隔热、热防护和热障涂层材料的研究中。Zhou等人通过共沉淀和高温烧结的方法首次合成了高熵(La_0.2Ce_0.2Nd_0.2Sm_0.2Eu_0.2)₂Zr₂O₇陶瓷，并发现该高熵陶瓷相对于其组成成分具有较低的热导率和非常缓慢的晶粒生长速度。(文献“(La_0.2Ce_0.2Nd_0.2Sm_0.2Eu_0.2)₂Zr₂O₇:A novel high-entropy ceramic with low thermal conductivity and sluggishgrain growth rate[J].Journal of Materials ScienceTechnology,2019,35,2647-2651.”)Liu等人首次通过溶胶-凝胶法合成了高熵陶瓷(Sm_0.2Eu_0.2Tb_0.2Dy_0.2Lu_0.2)₂Zr₂O₇气凝胶粉末，并通过压制烧结等后续工艺合成高熵陶瓷块体。该高熵陶瓷气凝胶具有导热系数低，热稳定性好等优良性能，有望取代传统气凝胶应用于超高温领域的热防护和热绝缘领域。(文献“A novel high-entropy(Sm_0.2Eu_0.2Tb_0.2Dy_0.2Lu_0.2)₂Zr₂O₇ ceramic aerogelwith ultralow thermal conductivity[J].Ceramics International,2021,47,29960-29968.”)然而，所合成的高熵陶瓷块体气孔率很低，无法满足气凝胶高气孔率、高比表面积的定义。更重要的是，在目前合成的高熵A₂B₂O₇型陶瓷气凝胶中多为A位高熵，即由五种或更多的镧系稀土元素占据着A₂B₂O₇型陶瓷中的A位。由于镧系稀土氧化物原子序数接近和“镧系收缩”效应导致稀土原子半径相近，相邻原子半径之差仅为1pm左右，各原子之间相对质量相差很小。另外，这些镧系稀土均为正三价，由这些组元构成的高熵氧化物与普通的陶瓷材料性能相差不大，难以体现高熵氧化物的优势。另一方面，考虑到某些稀土氧化物在地球上丰度十分有限，限制了其生产应用。