一种具有红外辐射性能的缺陷萤石型高熵铈酸盐陶瓷

本发明涉及高熵陶瓷材料，尤其涉及一种具有红外辐射性能的缺陷萤石型高熵铈酸盐陶瓷。

背景技术：

1、能源消耗的快速增长使得我国节能形势非常严峻，红外辐射技术在超音速武器的散热、民用工业的节能等方面得到了迅速的发展。红外辐射材料领域节能潜力巨大。根据维恩位移定律和普朗克定律，当温度高于1000℃时，辐射传热占据三种传热方式的80%，且辐射能量对应波段主要集中在1~5μm范围内，这说明辐射传热是决定热效率的关键因素。衡量辐射传热的指标为材料的发射率，即发射率越高，辐射效果越好。

2、铈酸镧（la2ce2o7）为无序缺陷萤石结构，具有导热系数低、热稳定性好、在1400℃下长期退火后可以稳定而无相变，在新型热防护涂层用陶瓷材料中有较强的竞争优势。但是la2ce2o7材料本征发射率低，0.78~2.5μm 波段的发射率不足 0.1，高温热辐射性能差。同时铈酸镧可在a位进行高熵化组分调控，选择低价态的过渡金属离子，使其晶胞中存在严重晶格畸变，表现出较高的质量无序度、离子尺寸无序度和电荷无序度，可显著提升材料综合性能，使其展现出优异的耐熔盐腐蚀性能、高温相稳定性和机械性能等。

3、cn112062566a公开了一种铈酸盐复合材料及其制备方法和应用，该铈酸盐复合材料相稳定性良好，具有极低的超低导热率和极强的抗烧结性，而且具有极高的热膨胀系数，适宜作为新一代的热障涂层进行使用和推广。然而该材料的红外发射率低，难以阻挡热辐射的传递。

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具有红外辐射性能的缺陷萤石型高熵铈酸盐陶瓷。

2、为解决上述问题，本发明所述的一种具有红外辐射性能的缺陷萤石型高熵铈酸盐陶瓷，其特征在于：该高熵铈酸盐陶瓷的晶体结构为缺陷萤石型，其化学式为a2ce2o7，其中a位为la、pr、gd、sr、ca、cu、ni、co、mn中的至少五种元素，且各元素的含量介于14~20%之间；且高熵铈酸盐陶瓷在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＞0.92。

3、如上所述的一种具有红外辐射性能的缺陷萤石型高熵铈酸盐陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

4、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、sro、cao、cuo、nio、coo、mno2粉末中的至少五种，且a位各元素的含量介于14~20%之间；经烘干、研磨、过400目筛，得到前驱体粉末；

5、⑵所述前驱体粉末在空气氛围中高温煅烧，煅烧结束后经随炉冷却，经研磨即得缺陷萤石型高熵铈酸盐粉体材料；

6、⑶所述缺陷萤石型高熵铈酸盐粉体材料过400目筛后先压片再经高温煅烧，煅烧结束后经随炉冷却，即得缺陷萤石型高熵铈酸盐陶瓷。

7、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。

8、所述步骤⑴中烘干条件是指温度为80~100℃，时间为12~24小时。

9、所述步骤⑵中高温煅烧的条件是指煅烧温度为1200~1500℃，升温速率为3~5℃/min，煅烧时间为6~8小时。

10、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。

11、所述步骤⑶中高温煅烧的条件是指煅烧温度为1200~1500℃，升温速率为5℃/min，煅烧时间为6~8小时。

12、本发明与现有技术相比具有以下优点：

13、1、本发明制备的缺陷萤石型高熵铈酸盐陶瓷，晶体结构呈八面体，属于立方面晶体系，fm-3m空间群，如图1所示。化学式为a2ce2o7，其中a位存在五种以上元素，包括稀土元素（la、pr、gd、sr）和过渡金属（ca、cu、ni、co、mn）元素，各原子随机分布在晶体点阵中。并且a位阳离子与ce阳离子半径比（ra/rce）小于1.46，其元素的无序性及半径和质量上的差异使得材料晶体结构呈现严重的晶格畸变以及产生大量氧空位。

14、2、本发明由于a位同时存在稀土元素以及过渡金属元素，且过渡金属元素3d轨道以及稀土元素4f轨道的电子排布特点，使高熵铈酸盐在费米能级附近形成杂质能级，有效降低了铈酸盐材料的本征带隙（铈酸镧eg=3.06 ev，高熵铈酸盐＜1.26 ev），通过增强的带间跃迁（d-d）以及带带跃迁（d-f）可以增大电子跃迁几率，从而提高红外发射率。

15、3、本发明由于a位高熵化设计策略，构型熵会随着主成分的引入而增加，从而降低吉布斯自由能。尤其是在高温下，构型熵对降低吉布斯自由能的贡献更加突出，有利于提升高熵相的稳定性。此外，混合熵的增加能显著提升固溶体的固溶含量，突破 hume-rothery定律中的固溶极限，这使得高熵铈酸盐陶瓷在1500℃长时间热稳定实验中，依然保持缺陷萤石晶体结构以及优异的红外发射率；同时表现出较低的红外衰减率，在2.5~16μm波段的红外发射率依然＞0.90。

16、4、本发明采用机械湿磨法和高温煅烧相结合的方法制备高熵铈酸盐，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，所制备的高熵铈酸盐物相单一、纯度高、元素分布均匀点，在高温热辐射领域，包括航空航天器、大型能源设备、工业窑炉、电站锅炉等方面具有潜在的应用前景。

技术特征：

1.一种具有红外辐射性能的缺陷萤石型高熵铈酸盐陶瓷，其特征在于：该高熵铈酸盐陶瓷的晶体结构为缺陷萤石型，其化学式为a2ce2o7，其中a位为la、pr、gd、sr、ca、cu、ni、co、mn中的至少五种元素，且各元素的含量介于14~20%之间；且高熵铈酸盐陶瓷在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＞0.92。

2.如权利要求1所述的一种具有红外辐射性能的缺陷萤石型高熵铈酸盐陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

3.如权利要求1所述的一种具有红外辐射性能的缺陷萤石型高熵铈酸盐陶瓷的制备方法，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。

4.如权利要求1所述的一种具有红外辐射性能的缺陷萤石型高熵铈酸盐陶瓷的制备方法，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。

5.如权利要求1所述的一种具有红外辐射性能的缺陷萤石型高熵铈酸盐陶瓷的制备方法，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1200~1500℃，升温速率为3~5℃/min，煅烧时间为6~8小时。

6.如权利要求1所述的一种具有红外辐射性能的缺陷萤石型高熵铈酸盐陶瓷的制备方法，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。

7.如权利要求1所述的一种具有红外辐射性能的缺陷萤石型高熵铈酸盐陶瓷的制备方法，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1200~1500℃，升温速率为5℃/min，煅烧时间为6~8小时。

技术总结本发明涉及一种具有红外辐射性能的缺陷萤石型高熵铈酸盐陶瓷，该高熵铈酸盐陶瓷的晶体结构为缺陷萤石型，其化学式为A<subgt;2</subgt;Ce<subgt;2</subgt;O<subgt;7</subgt;，其中A位为La、Pr、Gd、Sr、Ca、Cu、Ni、Co、Mn中的至少五种元素，且各元素的含量介于14~20%之间；且高熵铈酸盐陶瓷在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＞0.92。本发明具有优异的红外辐射性能以及高温热稳定性，在高温热辐射领域，包括航空航天器、大型能源设备、工业窑炉、电站锅炉等方面具有潜在的应用前景。技术研发人员：高祥虎,刘宝华,刘维民,刘刚,辛广洋,何成玉,鲁种伟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