[發明專利]一種固溶體型 (La2-xGdx) (Zr2-yCey)O7隔熱陶瓷及其制備方法

無效

• 申請號: 201310728726.2
• 申請日: 2013-12-26
• 公開（公告）號: CN103787659A
• 公開（公告）日: 2014-05-14
• 發明（設計）人: 洪樟連;劉毅;李翔翔;馮斌;劉暢
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: C04B35/50
• 分類號: C04B35/50;C04B35/622
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 張法高

技術領域

本發明涉及陶瓷材料技術領域，具體而言，涉及一種固溶體型?(La_2-xGd_x)?(Zr_2-yCe_y)O₇隔熱陶瓷及其制備方法。

背景技術

高超聲速航空航天飛行器是21世紀世界航空航天事業發展的一個主要方向，隨著飛行器飛行速度與航時進一步提高，高超聲速飛行器在飛行過程中將遭遇到更為嚴重的氣動加熱環境，尤其在飛行器的頭部、機翼前緣和尾翼的氣動加熱最為明顯。氣動加熱使高超聲速飛行器表面溫度的升高使內部產生很大的溫度梯度，必然引起熱變形和熱應力的產生，當應力超過極限時，飛行器就會造到破壞，增大了飛行器的安全隱患。為了克服氣動加熱造成的不利影響，在極端熱環境和苛刻的負載條件下實現飛行器結構件的安全服役，開發具有高熔點、低熱導、高強度、良好耐腐蝕性能的隔熱材料是最為可行的方案之一。

基于高超聲速飛行器的運行環境，陶瓷材料因具有高熔點、低熱導率、耐熱腐蝕等優點成為最熱門的熱防護材料。目前，研究最成熟的ZrO₂陶瓷具有高熔點、低熱導率、高熱膨脹系數等優良性能，成為高速飛行器的最主要的工程化用熱防護材料。但是，因為純的ZrO₂材料在1170℃會發生晶型轉變而引起4~6%的體積變化，在熱循環過程中因產生很大的應力集中導致微裂紋的產生，使保護層失效。即使通過晶型穩定劑改性使其具有結構穩定性，但其工作溫度上限和較高的高溫熱導率逐漸不能滿足超高速飛行速度下更劇烈的氣動加熱對材料熱防護能力的要求。

目前，國內外大力開發不同體系的隔熱材料，以加速實現高超聲速飛行器的研制。其中稀土鋯酸鹽、石榴石、堿土金屬鋯酸鹽、六角晶系鋁酸鑭和磷酸鑭等體系是主要新體系隔熱材料。

稀土鋯酸鹽材料因具有特殊晶體結構與性能受到廣泛關注。通過我們的研究發現，屬于稀土鋯酸鹽陶瓷中的鋯酸鑭陶瓷熔點高，抗氧化能力強，在達到熔點之前都不會發生相變，為單一的焦綠石結構，表現出非常優良的結構熱穩定性。而且，鋯酸鑭具有復雜的燒綠石型結構能夠增強聲子散射，從而有效地降低熱導率，這種材料較低的熱導率使其具有良好的隔熱性能。在力學方面，鋯酸鑭陶瓷具有高硬度、高強度、高彈性模量、耐磨損等一系列優良的力學性能。因此，鋯酸鑭陶瓷比氧化鋯陶瓷具有更好的熱防護能力，能夠成為超高速飛行器在更好熱環境下對隔熱材料的要求。

通過研究發現，可以通過固溶、取代等方式引入點缺陷的方法進一步降低鋯酸鑭陶瓷的熱導率。當引入原子與本身晶格原子的原子半徑和原子量相差越大，就越有利于降低材料的熱導率，進一步提升其隔熱性能。另外，部分稀土元素固溶時可以有效促進鋯酸鑭陶瓷的高溫燒結致密化過程，使其具有更加均勻的結構、更高的致密度和力學強度。因此，稀土固溶改性是實現低熱導率、高力學強度的稀土鋯酸鹽熱防護材料的有效改性方法。通過文獻調研發現，以Eu、?Sm、Nd?、Yb等稀土元素進行固溶改性的方法更注重對作為一種鋯酸鑭涂層材料熱導率的影響，對鋯酸鑭作為一種陶瓷塊體材料及其力學性能的研究很少。因此，本專利主要以固溶稀土元素對鋯酸鑭塊體陶瓷進行固溶改性，從熱導率和力學強度性能為研究重點，制備出固溶體型(La_2-xGd_x)?(Zr_2-yCe_y)O₇隔熱陶瓷。

發明內容

本發明的目的是突破現有高溫隔熱材料性能對更加極端溫度環境下超高聲速航空航天飛行器的限制，提供了一種固溶體型?(La_2-xGd_x)?(Zr_2-yCe_y)O₇隔熱陶瓷及其制備方法。

固溶體型?(La_2-xGd_x)?(Zr_2-yCe_y)O₇隔熱陶瓷的化學式為(La_2-xGd_x)?(Zr_2-yCe_y)O₇，其中0.2≤x≤1.0，0.01≤y≤1.0，致密度大于90%，壓縮強度為200~700MPa，熱導率為0.97~2.47W/(m·K)。