[發明專利]一種熱障涂層用螢石結構高熵氧化物粉體及其制備方法

有效

• 申請號: 202110257874.5
• 申請日: 2021-03-10
• 公開（公告）號: CN113023776B
• 公開（公告）日: 2022-07-19
• 發明（設計）人: 何國;何君杰;陶景超
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: C01G27/00
• 分類號: C01G27/00;C04B35/50;C04B35/622
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 蔣亮珠

本發明涉及一種熱障涂層用螢石結構高熵氧化物粉體及其制備方法，該粉體具有單一的螢石結構，化學分子式為RE₂HE₂O₇，其中RE為稀土元素Y、Ho、Er、Yb、Lu中的一種；HE為Ce、Zr、Hf、Sn、Ti中的至少三種元素，各HE元素的摩爾數與所有HE元素總摩爾數的百分比為10％～30％。制備方法：按比例混合RE₂O₃和HEO₂的原始粉末，加熱混合粉末至一定溫度發生固相反應，經球磨干燥過篩得到高熵陶瓷粉體。本與現有技術相比，發明高熵氧化物粉體制備的陶瓷材料具有極低的熱導率以及較高的熱膨脹系數，綜合力學性能優良，工藝簡單，適用范圍廣，可應用于陶瓷熱障涂層材料領域。

技術領域

本發明屬于熱障涂層材料及高熵陶瓷技術領域，尤其是涉及一種熱障涂層用螢石結構高熵氧化物粉體及其制備方法。

背景技術

陶瓷熱障涂層(Thermal barrier coatings,TBCs)材料在燃氣輪機、航空航天和大型火力發電等領域有著廣泛而重要的應用。為了提高燃氣輪機燃氣效率，發展更先進的燃氣輪機，未來燃氣輪機渦輪葉片的使用溫度將越來越高，而熱障涂層材料的耐受溫度必須到達此溫度。目前應用于高溫領域的陶瓷熱障涂層材料仍是以氧化釔穩定的氧化鋯(YSZ)為主，但目前商業化應用的YSZ熱障涂層材料也存在很多問題：如高溫相穩定性，YSZ材料在較高溫度下(＞1200℃時)會由單一的立方相轉變為四方相(t)和立方相(c)的混合物，冷卻過程中四方相又會轉變為單斜相(m)，故YSZ僅能在溫度1200℃以下使用，不能滿足未來燃氣輪機在更高溫度下服役的需求。此外，YSZ材料在1000℃時熱導率為2.3(W·m^-1·K^-1)，在相對于更好地保護基體、更高的使用溫度下，熱導率值仍然偏高。

隨著高性能燃氣輪機的研發不斷取得進展，渦輪前進口溫度大幅度提高，亟需開發性能更高的熱障涂層材料體系。然而，嚴苛的工作環境使熱障涂層材料的選擇十分有限。目前，限制熱障涂層材料應用的相對比較嚴重的三大問題為：(1)高溫使用時相結構穩定性問題；(2)陶瓷熱障涂層材料熱導率偏高；(3)陶瓷涂層材料與金屬基底熱膨脹系數匹配性問題。

近年來，“高熵”材料的出現在眾多領域提供了一種新的材料設計思路，其優異的性能也激勵著人們不斷研究，目前已成為材料研究領域的一大熱點。高熵材料的概念最初來自高熵合金，而隨著研究的不斷深入，高熵的概念逐漸拓展到其他材料中，如高熵金屬玻璃、高熵陶瓷、高熵熱電材料、高熵聚合物等。其中高熵氧化物陶瓷有望成為新的熱障涂層材料，其優勢在于：(1)相結構穩定性好，由于在高熵氧化物中熵在自由能中起主導作用，使得其相結構隨著溫度升高而更加穩定，因此高熵氧化物在高溫時不易發生化學分解和結構突變。(2)熱導率低，由于在高熵氧化物中存在多個組元，不同種類元素之間的質量差距和半徑差距將增加晶格格波的非諧性，增強聲子與缺陷散射，從而降低材料的熱導率。除此之外，通過合理的設計成分，可以使高熵氧化物陶瓷的力學性能和熱膨脹系數獲得提高。

專利CN 110272278 A報道了一種焦綠石結構高熵稀土鋯酸鹽陶瓷材料，所述陶瓷粉體具有焦綠石結構，化學式為RE₂Zr₂O₇，其中RE為稀土元素Y、La、Pr、Nd、Sm、Eu和Gd中的任意3～7種不同的金屬元素，各RE元素的摩爾數與所有RE元素總摩爾數的百分比為5％～35％，極低的熱導率使其有望成為潛在的熱障涂層材料。但是該陶瓷材料熱膨脹系數較低，限制了其應用。

發明內容

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種熱導率低、熱膨脹系數高，綜合力學性能優良的熱障涂層用螢石結構高熵氧化物粉體及其制備方法。