耐高温热辐射抑制材料及制备方法与流程

本发明涉及热障涂层，具体而言，涉及一种耐高温热辐射抑制材料及制备方法。

背景技术：

1、随着航空发动机、燃气轮机等向着高推重比、高热效率、低油耗和长寿命的方向发展，要求其应具有更高的涡轮前进口温度，极端苛刻的高温环境对发动机的燃油喷嘴、燃烧室及叶片等热端部件的性能提出了严峻挑战，目前的涡轮前进口温度已经不能满足推重比更高的航空发动机的发展需求。热障涂层(thermal barrier coatings，tbcs)作为应用于发动机热端部件的关键热防护技术之一，与高温结构材料和高效叶片冷却技术并称为高性能航空发动机涡轮叶片制造的三大关键技术。热障涂层能够有效降低高温燃气对涡轮叶片等金属基材的热损伤等影响，是目前提高两机高推重比和高热效率的唯一切实可行的有效途径。

2、随着航空发动机涡轮前进口温度的不断提高，辐射热传导成为影响热障涂层材料热防护效果的又一主要问题。根据斯特藩-玻尔兹曼(stefan-boltzmann)定律，随着温度的升高，热辐射能量与温度的四次方呈正相关，温度在1700℃以上时，导热-辐射复合热流比单独的导热热流高30％左右。目前应用最广泛的热障涂层陶瓷材料为氧化钇部分稳定氧化锆(8ysz)，高温下其在可见光-红外波段范围内(波长为0.3μm-8μm)热辐射特性是半透明的，对热辐射几乎起不到任何的屏蔽作用。根据普朗克(planck)定律可知，当温度为1500℃时，黑体发出的电磁波有90％以上集中在波长λ＜6μm的波段区域，根据维恩(wien)位移定律，随着温度的升高，辐射峰值波长会向短波长波段移动，如在1000℃时黑体的辐射强度峰值波长为2.26μm，在1600℃时为1.55μm，在1700℃时为1.47μm。研究表明，航空发动机燃烧室燃气温度在1700k-2000k范围时，燃烧室中95％的辐射电磁波在0.5μm-9.5μm波段范围。热障涂层作为一种典型的多孔陶瓷介质材料，热射电磁波通过涂层介质时与光具有相同的性质，在涂层表面及内部会发生光谱的反射、吸收及透射现象。涂层中的光谱反射率和光谱透射率可以通过紫外-红外光谱仪以及相应的积分球附件测得。

3、据报道，第六代先进航空发动机涡轮进口温度有望达到2400-2600k，届时导热-辐射复合热流占比将迅速增加，因此，设计开发新型耐高温热辐射抑制的热障涂层材料对进一步提高更高涡轮进口温度下涂层热防护效果至关重要。

技术实现思路

1、本发明的第一个目的在于提供一种耐高温热辐射抑制材料，以解决现有光谱反射率低透射率高的技术问题。

2、本发明提供的耐高温热辐射抑制材料，所述耐高温热辐射抑制材料为ab位共掺杂锆酸钆——a2b2o7，所述a包括位于a位的钆和a位共掺杂元素，所述b包括位于b位的锆和b位共掺杂元素；所述ab位共掺杂锆酸钆中；γa/γb＝1.465±0.005；所述γa为a位的各个元素的离子半径与摩尔占比之乘积的总和；所述γb为b位的各个元素的离子半径与摩尔占比之乘积的总和。

3、本发明耐高温热辐射抑制材料带来的有益效果是：

4、通过a、b位共掺杂gd2zr2o7控制γa/γb比值在1.465±0.005范围内，使掺杂改性后的gd2zr2o7材料的晶体结构在烧绿石结构与缺陷萤石结构临界值附近，此时该材料内部一方面包括了长程有序和短程有序复合型结构，另一方面还可以出现取代掺杂和间隙掺杂共存导致晶格畸变的复合型结构，其共同作用导致掺杂改性后的gd2zr2o7材料的300nm-2500nm波段光谱反射率大幅提高，光谱透射率有效降低。

5、可选的技术方案中，所述a位共掺杂元素和所述b位共掺杂元素分别为过渡元素中的一种或多种的任意组合。

6、可选的技术方案中，γzr为锆离子的离子半径；γgd为钆离子的离子半径；

7、所述a位共掺杂元素的离子半径大于γgd，所述b位共掺杂元素的离子半径也大于γzr；

8、或者，所述a位共掺杂元素的离子半径小于γgd，所述b位共掺杂元素的离子半径也小于γzr。

9、本发明的第二个目的在于提供一种制备方法，以解决光谱反射率低透射率高的技术问题。

10、本发明提供的制备方法，用于制备上述的耐高温热辐射抑制材料，所述制备方法包括：

11、选择所述a位共掺杂元素和所述b位共掺杂元素；

12、根据γa/γb的比值，确定各元素的掺杂比例；

13、根据所述a位共掺杂元素、所述b位共掺杂元素和所述各元素的掺杂比例，获得所述掺杂改性材料化学式，根据所述掺杂改性材料化学式称量原料，通过粉末合成方法合成所述耐高温热辐射抑制材料。

14、采用上述制备方法，可以制备出上述的耐高温热辐射抑制材料，相应地，该制备方法具有上述耐高温热辐射抑制材料的所有优势，在此不再一一赘述。

15、可选的技术方案中，所述原料为所述锆、所述钆、所述a位共掺杂元素和所述b位共掺杂元素的氧化物、无机盐、有机盐。

16、可选的技术方案中，所述锆、所述钆、所述a位共掺杂元素和所述b位共掺杂元素的无机盐中的至少一者为硝酸盐或氯化物。

17、可选的技术方案中，所述锆、所述钆、所述a位共掺杂元素和所述b位共掺杂元素的有机盐中的至少一者为醋酸盐。

18、可选的技术方案中，所述粉末合成方法选用固相合成法、化学共沉淀法或溶胶-凝胶法中的一种。

技术特征：

1.一种耐高温热辐射抑制材料，其特征在于，所述的耐高温热辐射抑制材料为ab位共掺杂锆酸钆——a2b2o7，所述a包括位于a位的钆和a位共掺杂元素，所述b包括位于b位的锆和b位共掺杂元素；所述ab位共掺杂锆酸钆中；γa/γb＝1.465±0.005；所述γa为a位的各个元素的离子半径与摩尔占比之乘积的总和；所述γb为b位的各个元素的离子半径与摩尔占比之乘积的总和。

2.根据权利要求1所述的耐高温热辐射抑制材料，其特征在于，所述a位共掺杂元素和所述b位共掺杂元素分别为过渡元素中的一种或多种的任意组合。

3.根据权利要求2所述的耐高温热辐射抑制材料，其特征在于，γzr为锆离子的离子半径；γgd为钆离子的离子半径；所述a位共掺杂元素的离子半径大于γgd，所述b位共掺杂元素的离子半径大于γzr；或者，所述a位共掺杂元素的离子半径小于γgd，所述b位共掺杂元素的离子半径小于γzr。

4.根据权利要求3所述的耐高温热辐射抑制材料，其特征在于，a、b位掺杂离子在材料中需形成取代掺杂与间隙掺杂共存。

5.一种制备方法，用于制备权利要求1的耐高温热辐射抑制材料，其特征在于，所述制备方法包括：

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述原料为所述锆、所述钆、所述a位共掺杂元素和所述b位共掺杂元素的氧化物、无机盐、有机盐。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述锆、所述钆、所述a位共掺杂元素和所述b位共掺杂元素的无机盐中的至少一者为硝酸盐或氯化物。

8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述锆、所述钆、所述a位共掺杂元素和所述b位共掺杂元素的有机盐中的至少一者为醋酸盐。

9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述粉末合成方法选用固相合成法、化学共沉淀法或溶胶-凝胶法中的一种。

技术总结本发明提供了一种耐高温热辐射抑制结构材料及制备方法，涉及热障涂层材料晶体结构设计及制备技术领域，以解决热障涂层材料在1200℃及更高温下，因材料低波段光谱反射率低、透射率高而导致的辐射传热占比增加、热导率升高的问题。该方法通过对锆酸钆(A<subgt;2</subgt;B<subgt;2</subgt;O<subgt;7</subgt;结构)材料的A、B位共掺杂，设计γ<subgt;A</subgt;/γ<subgt;B</subgt;比值为1.465±0.005，且A、B位共掺杂形式应包括取代掺杂和间隙掺杂共存，改性的锆酸钆材料通过粉末合成的方法制备。其中γ<subgt;A</subgt;为A位各元素的离子半径与摩尔占比乘积的总和；γ<subgt;B</subgt;为B位各元素的离子半径与摩尔占比乘积的总和。本发明可以有效提高材料低波段光谱反射率和降低光谱透射率，降低高温下材料中辐射传热占比，可作为隔热性能优良的热障涂层材料及优选方法。技术研发人员：何箐,李新慧,由晓明,邹晗,张云杰受保护的技术使用者：北京金轮坤天特种机械有限公司技术研发日：技术公布日：2024/6/18