一种高熵铁酸钙钛矿红外辐射材料及其制备方法

本发明涉及红外辐射材料领域，尤其涉及一种高熵铁酸钙钛矿红外辐射材料及其制备方法。

背景技术：

1、热辐射涉及工程热表面的设计，可以有效地将热量从一个热物体的表面无接触地传递到另一个物体，在高于1000℃的条件下，辐射传热占超过80%总热量传递。该技术在工业窑炉、高温锅炉、航天器等众多领域具有节能增效和热防护的作用。

2、目前sic、sib、堇青石、尖晶石、钙钛矿等材料具有较好红外辐射性能和热稳定性，已经被用作红外辐射材料。例如，铁酸钙钛矿型lafeo3氧化物，熔点可达 1900℃，具有良好的高温稳定性。然而，该材料在3~5μm 波段内红外辐射率相当低。根据维恩位移定律和普朗克定律，在高温条件下辐射能主要集中于1~5 um波段。通过在a位掺杂稀土元素或碱土金属元素(化合价可为+1、+2和+3价)，或者在b位掺杂过渡金属离子(化合价可为+3、+4和+5价)，可以改善在3~5μm 波段的发射率。然而，掺杂过程中可能引入不纯相，降低高温下的抗氧化性而导致红外发射率衰减，使服役期缩短。

3、近年来，高熵材料在能源储存和转换等领域吸引了广泛的研究兴趣。高熵材料具有高的构型熵，可以抵消焓的增加，降低系统吉布斯自由能，形成一个单相的固溶体结构。此外，多组分特性为优化材料的功能特性提供了先决条件。然而高熵材料在红外辐射领域的报道比较少。在2022年，张宗涛等申请的中国发明专利cn 114573345 a《一种钙钛矿型高熵高发射率陶瓷涂层镀膜液的制备方法及应用》中利用溶胶-凝胶法制备了钙钛矿型高熵高发射率陶瓷涂层镀膜液，但是制备过程相对复杂，且主要在b位引入过渡金属增加发射率，这不利于材料高温热稳定性提升。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种提升高温热稳定性的高熵铁酸钙钛矿红外辐射材料。

2、本发明所要解决的另一个技术问题是提供该高熵铁酸钙钛矿红外辐射材料的制备方法。

3、为解决上述问题，本发明所述的一种高熵铁酸钙钛矿红外辐射材料，其特征在于：该高熵铁酸钙钛矿红外辐射材料的化学式为abo3；a位为稀土元素la、pr、ca、ce、gd、sm、nd、dy中的任意五种元素，与12个氧离子配位，位于由八面体构成的空穴内；b为过渡金属元素fe，阳离子与六个氧离子形成八面体配位。

4、该高熵铁酸钙钛矿红外辐射材料在0.78~16 μm波段红外辐射率为0.85~0.88。

5、如上所述的一种高熵铁酸钙钛矿红外辐射材料的制备方法，其特征在于：该方法是指以la2o3、pr6o11、cao、ce2o3、gd2o3、sm2o3、nd2o3、dy2o3粉末中的任意五种和fe2o3为原料，按照金属原子摩尔比为1：1：1：1：1：5进行球磨混合，经烘干、研磨后即得混合物粉末；所述混合物粉末在马弗炉中高温煅烧，经冷却、研磨，即得高熵铁酸钙钛矿红外辐射材料。

6、所述球磨混合的条件是指采用行星式球磨机进行湿法球磨，球磨转速为300~500r/min，球磨时间为12~24小时，球料与无水乙醇的质量比为2~5：1：3。

7、所述高温煅烧的条件是指煅烧温度为1000~1500℃，升温速率为3~5℃/min，煅烧时间为4~10小时。

8、所述冷却方式为随炉冷却、空气淬火冷却和液氮淬火冷却中的一种。

9、本发明与现有技术相比具有以下优点：

10、1、本发明高熵铁酸钙钛矿红外辐射材料的化学式为abo3；a位多元稀土掺杂，与12个氧离子配位，位于由八面体构成的空穴内；b为过渡金属元素fe，阳离子与六个氧离子形成八面体配位。这种结构可以容纳多个阳离子，对红外辐射性能具有丰富的优化空间，并且具有优异的结构稳定性，可以适用于高温和腐蚀性环境。

11、2、本发明采用熵驱动的高熵稳定策略，合成了一种具有单一钙钛矿结构的高熵铁酸材料，该材料具有物相单一、纯度高、粒径较小和元素分布均匀等特点。

12、3、本发明所述高熵铁酸钙钛矿红外辐射材料具有高熵效应和迟滞扩散效应，在空气中具有良好的高温稳定性，在24小时1300℃条件下进行了长时间的热稳定实验后xrd图谱上没有杂峰出现，且红外发射率变化范围仅为0.01，表明具有优异热稳定性。此外，这种材料还具有良好的耐酸碱腐蚀性。

13、4、本发明所述高熵铁酸钙钛矿红外辐射材料中多个稀土元素形成多个不纯f电子中间能级，有利于降低带隙。本发明材料的带隙为1.25ev，有利于提高材料近红外区域的红外辐射性能。同时，由于掺杂元素尺寸差异，导致晶格畸变效应，增加晶格振动吸收，从而在中红外区域具有较高的红外辐射率，可提高在高温条件下的红外传热效率。其在0.78~16 μm波段红外辐射率为0.85~0.88。因此，该高熵铁酸钙钛矿红外辐射材料可应用于电站锅炉、航空航天、工业窑炉等的高温辐射传热和热防护领域。

14、5、本发明采用简单的机械湿法球磨与固相合成煅烧方法，即可制备高熵铁酸钙钛矿红外辐射材料，适合工业化规模生产。

技术特征：

1.一种高熵铁酸钙钛矿红外辐射材料，其特征在于：该高熵铁酸钙钛矿红外辐射材料的化学式为abo3；a位为稀土元素la、pr、ca、ce、gd、sm、nd、dy中的任意五种元素，与12个氧离子配位，位于由八面体构成的空穴内；b为过渡金属元素fe，阳离子与六个氧离子形成八面体配位。

2.如权利要求1所述的一种高熵铁酸钙钛矿红外辐射材料，其特征在于：该高熵铁酸钙钛矿红外辐射材料在0.78~16 μm波段红外辐射率为0.85~0.88。

3.如权利要求1或2所述的一种高熵铁酸钙钛矿红外辐射材料的制备方法，其特征在于：该方法是指以la2o3、pr6o11、cao、ce2o3、gd2o3、sm2o3、nd2o3、dy2o3粉末中的任意五种和fe2o3为原料，按照金属原子摩尔比为1：1：1：1：1：5进行球磨混合，经烘干、研磨后即得混合物粉末；所述混合物粉末在马弗炉中高温煅烧，经冷却、研磨，即得高熵铁酸钙钛矿红外辐射材料。

4.如权利要求3所述的一种高熵铁酸钙钛矿红外辐射材料的制备方法，其特征在于：所述球磨混合的条件是指采用行星式球磨机进行湿法球磨，球磨转速为300~500 r/min，球磨时间为12~24小时，球料与无水乙醇的质量比为2~5：1：3。

5.如权利要求3所述的一种高熵铁酸钙钛矿红外辐射材料的制备方法，其特征在于：所述高温煅烧的条件是指煅烧温度为1000~1500℃，升温速率为3~5℃/min，煅烧时间为4~10小时。

6.如权利要求3所述的一种高熵铁酸钙钛矿红外辐射材料的制备方法，其特征在于：所述冷却方式为随炉冷却、空气淬火冷却和液氮淬火冷却中的一种。

技术总结本发明涉及一种高熵铁酸钙钛矿红外辐射材料，该高熵铁酸钙钛矿红外辐射材料的化学式为ABO<subgt;3</subgt;；A位为稀土元素La、Pr、Ca、Ce、Gd、Sm、Nd、Dy中的任意五种元素，与12个氧离子配位，位于由八面体构成的空穴内；B为过渡金属元素Fe，阳离子与六个氧离子形成八面体配位。同时，本发明还公开了该高熵铁酸钙钛矿红外辐射材料的制备方法。本发明所述高熵铁酸钙钛矿红外辐射材料在0.78~16μm波段红外辐射率为0.85~0.88，在24小时1300℃条件下具有优异热稳定性，可应用于电站锅炉、航空航天、工业窑炉等的高温辐射传热和热防护领域。技术研发人员：高祥虎,马军,高建军,姚小军,张国山,何成玉,席智玲,鲁种伟,刘宝华受保护的技术使用者：中国科学院兰州化学物理研究所技术研发日：技术公布日：2024/5/16