一种基于被动辐射冷却多主元稀土铈酸盐陶瓷材料

本发明涉及辐射热管理材料领域，尤其涉及一种基于被动辐射冷却多主元稀土铈酸盐陶瓷材料。

背景技术：

1、随着航空发动机和燃气轮机核心部件的推重比和服役温度的不断提高，随之而来的是发动机涡轮前的进口温度的不断升高，热辐射占比越来越重，高温辐射出的大量能量作用于基体材料会加速基体材料的损伤，减少热端部件的服役寿命。此外，新型基础设施建设，主要包括5g基站建设、高铁牵引系统、太阳能电池等，以及小型化和集成电子设备，由于散热不良导致的温度升高严重限制了这些技术的可靠性和耐用性。

2、被动辐射冷却技术是指通过材料表面红外辐射性能将自身热量向外发散，尤其是8-13μm波段热量可通过大气透明窗口散逸到寒冷的外太空，以最大限度提高热辐射散热效果。被动辐射散热作为一种无需能源与资源驱动的散热方式，具有无能耗、无污染、无媒介、操作便捷和经济等优点，可作为对自然冷却的强化。

3、红外辐射是一种通过提高热源表面的红外辐射率，以达到增强热交换能力目的的技术，由于通用性和可调性被广泛应用于高温散热领域。在对流和热传导受到限制条件下，它是最有效的一种加热和散热方式。根据斯蒂芬-波尔兹曼定律e=σεt4，热辐射e的大小与温度 t 的四次方成正比。随着进口温度的不断提高，其表面因加热产生的温度也越高，热辐射所起到的效果也就越明显，当温度高于1000 ℃时，辐射传热占三种传热方式的80%。

4、稀土铈酸盐re2ce2o7中由于ce4+离子半径较大，a位与b位离子半径之比通常<1.46。同时稀土铈酸盐一般都是具有一个1/8氧空位的缺陷型萤石结构，其具有较高的热膨胀系数，主要归因于ce4+在高温下还原为ce3+，使得体系的晶格能下降，在1400 °c长时间退火条件下也未发生相变，具有良好的高温相稳定性。薛丽艳等人制得了一种铈酸盐高熵陶瓷材料（专利号cn114751744a），该铈酸稀士盐具备高熔点、低热导率、高热膨胀系数、低热比及高温热稳定等特性，通过将多种稀土离子结合，得到高熵铈酸稀土陶瓷，进一步提高了材料的耐热性能。然而该技术并未考虑到红外辐射性能在高温工况下对热防护涂层的重要性。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种性能良好的基于被动辐射冷却多主元稀土铈酸盐陶瓷材料。

2、为解决上述问题，本发明所述的一种基于被动辐射冷却多主元稀土铈酸盐陶瓷材料，其特征在于：该多主元稀土铈酸盐陶瓷材料的化学式为a2ce2o7，其中a位为la、pr、gd、lu中的至少2种元素，且各元素的含量介于25~50%之间；且具有缺陷萤石或烧绿石结构，属于立方面晶体系，fm-3m空间群或fd-3m空间群。

3、所述多主元稀土铈酸盐陶瓷材料在0.78~2.5μm波段的红外发射率＞0.90，2.5~16μm波段的红外发射率＞0.90。

4、如上所述的一种基于被动辐射冷却多主元稀土铈酸盐陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：

5、⑴以金属元素摩尔比为1：1的aox粉末和ceo2粉末为原料进行球磨混合，aox为la2o3、pr6o11、gd2o3、lu2o3粉末中的至少2种，且a位各元素的含量介于25~50%之间；经烘干、研磨、过400目筛，得到前驱体粉末；

6、⑵所述前驱体粉末在空气氛围中高温煅烧，经冷却、研磨即得稀土铈酸盐粉体材料；

7、⑶所述稀土铈酸盐粉体材料过400目筛后先压片再经高温煅烧、冷却，即得缺陷萤石型高熵铈酸盐陶瓷材料。

8、所述步骤⑴中球磨的条件是指采用行星式球磨机，球磨介质为氧化锆球，球磨转速为200~400 r/min，球磨时间为12~24小时，球料水的质量比为3：1：2。

9、所述步骤⑴中烘干条件是指温度为80~100℃，时间为12~24小时。

10、所述步骤⑵中高温煅烧的条件是指煅烧温度为1200~1600℃，升温速率为2~5℃/min，煅烧时间为6~8小时。

11、所述步骤⑶中压片的条件是指采用粉末压片机，压力为20~31 mpa，压片时间为10~20 min。

12、所述步骤⑶中高温煅烧的条件是指煅烧温度为1200~1600℃，升温速率为5℃/min，煅烧时间为6~8小时。

13、所述步骤⑵和所述步骤⑶中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。

14、本发明与现有技术相比具有以下优点：

15、1、本发明中由于稀土离子的活性较高且半径较大，掺杂进材料后会使原有晶体结构产生变化，内部的缺陷增多，造成晶格畸变降低材料简谐振动的频率，从而对于提高红外辐射性能起到积极作用。

16、2、本发明制备的多主元稀土铈酸盐陶瓷，由于多种稀土元素共同掺杂，且多元素的电子在4f轨道排布差异性，可在费米能级上产生中间带，扩宽材料的红外光谱发射波段范围。

17、3、本发明中掺杂元素均属于镧系元素，利用稀土元素耐高温性能，使多主元稀土铈酸盐陶瓷具有优异的耐高温及热稳定性，经1300℃热处理后红外衰减率仅为1%。

18、4、在热流密度范围一定，材料的发射率越高，表面辐射散热越多，热防护结构的散热性能就越优良，降低了能量对基体材料的损伤，延长热端部件的服役寿命。因此，本发明将高红外辐射性能与热防护性能相结合，得到具有被动辐射冷却散热性能的稀土铈酸盐陶瓷。通过提高材料表面红外辐射性能，使0.78~2.5μm波段的红外发射率＞0.90，2.5~16μm波段的红外发射率＞0.90，以最大限度提高热辐射散热效果。

19、5、本发明采用机械湿磨法和高温煅烧相结合的方法制备多主元稀土铈酸盐陶瓷，具有制备技术简单，可重复性强，生产效率高，可适用于自动化操作等优点。所得到的多主元稀土铈酸盐陶瓷物相单一、纯度高、元素分布均匀，在大型能源设备、航空发动机、燃气轮机、电子器件、电站锅炉等辐射热管理领域具有潜在的应用。

技术特征：

1.一种基于被动辐射冷却多主元稀土铈酸盐陶瓷材料，其特征在于：该多主元稀土铈酸盐陶瓷材料的化学式为a2ce2o7，其中a位为la、pr、gd、lu中的至少2种元素，且各元素的含量介于25~50%之间；且具有缺陷萤石或烧绿石结构，属于立方面晶体系，fm-3m空间群或fd-3m空间群。

2.如权利要求1所述的一种基于被动辐射冷却多主元稀土铈酸盐陶瓷材料，其特征在于：所述多主元稀土铈酸盐陶瓷材料在0.78~2.5μm波段的红外发射率＞0.90，2.5~16μm波段的红外发射率＞0.90。

3.如权利要求1所述的一种基于被动辐射冷却多主元稀土铈酸盐陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：

4.如权利要求3所述的一种基于被动辐射冷却多主元稀土铈酸盐陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述步骤⑴中球磨的条件是指采用行星式球磨机，球磨介质为氧化锆球，球磨转速为200~400 r/min，球磨时间为12~24小时，球料水的质量比为3：1：2。

5.如权利要求3所述的一种基于被动辐射冷却多主元稀土铈酸盐陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述步骤⑴中烘干条件是指温度为80~100℃，时间为12~24小时。

6.如权利要求3所述的一种基于被动辐射冷却多主元稀土铈酸盐陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述步骤⑵中高温煅烧的条件是指煅烧温度为1200~1600℃，升温速率为2~5℃/min，煅烧时间为6~8小时。

7.如权利要求3所述的一种基于被动辐射冷却多主元稀土铈酸盐陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述步骤⑶中压片的条件是指采用粉末压片机，压力为20~31 mpa，压片时间为10~20 min。

8.如权利要求3所述的一种基于被动辐射冷却多主元稀土铈酸盐陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述步骤⑶中高温煅烧的条件是指煅烧温度为1200~1600℃，升温速率为5℃/min，煅烧时间为6~8小时。

9.如权利要求3所述的一种基于被动辐射冷却多主元稀土铈酸盐陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述步骤⑵和所述步骤⑶中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基于被动辐射冷却多主元稀土铈酸盐陶瓷材料，其该多主元稀土铈酸盐陶瓷材料的化学式为A<subgt;2</subgt;Ce<subgt;2</subgt;O<subgt;7</subgt;，其中A位为La、Pr、Gd、Lu中的至少2种元素，且各元素的含量介于25~50%之间；且具有缺陷萤石或烧绿石结构，属于立方面晶体系，Fm‑3m空间群或Fd‑3m空间群。本发明将高红外辐射性能与热防护性能相结合，得到具有被动辐射冷却散热性能的稀土铈酸盐陶瓷，并通过提高材料表面红外辐射性能，使0.78~2.5μm波段的红外发射率＞0.90，2.5~16μm波段的红外发射率＞0.90，以最大限度提高热辐射散热效果。所得到的多主元稀土铈酸盐陶瓷物在大型能源设备、航空发动机、燃气轮机、电子器件、电站锅炉等辐射热管理领域具有潜在的应用。技术研发人员：高祥虎,刘宝华,辛广洋,汪增强,赵士杰,张永志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：2024/5/19