一种具有优异热物理性能，高机械性能的高熵稀土锆酸盐陶瓷及其制备方法

本发明涉及陶瓷材料的，尤其是涉及一种具有优异热物理性能，高机械性能的高熵稀土锆酸盐陶瓷及其制备方法。

背景技术：

1、当前，航空航天工程的技术发展极大依赖于推重比的提升，而推重比的增加主要受到涡轮叶片在高温环境下性能的制约。因此，热障涂层（tbcs）被广泛应用于燃气轮机叶片表面，旨在提高金属部件的工作温度和安全性，同时防止在长期运行中叶片过热的问题。y2o3稳定氧化锆(ysz)是目前最常用的热障涂层材料。然而，当ysz在1200°c以上长时间使用时，会发生相变。此外，其相对较高的热导率（在1000°c时为2.0-2.5 w/(m.k)）和较低的热膨胀系数((10-11) × 10-6 k-1))也限制了ysz在高温环境中的应用效果。因此，为满足先进燃气轮机对保护涂层的更高要求，亟需开发性能更优的新型绝热材料。

2、高熵陶瓷凭借其卓越的高温稳定性和低热导率，已成为热障涂层的潜在候选材料，激发了广泛的研究兴趣。高熵陶瓷通常由五种或更多元素以等摩尔或接近等摩尔浓度组成，形成单相固溶体。由于其独特的组成方式，高熵材料展现出四大显著特性：首先是热力学中的高熵效应，其次是结构中的严重晶格畸变效应，再者是动力学中的迟滞扩散和滞后效应，最后是性能上的鸡尾酒效应。这些特性使高熵陶瓷在多种应用中展现出优异的性能。而在高熵陶瓷材料中，具有复杂结构、低热导率和显著高温稳定性的a2b2o7型烧绿石结构或缺陷萤石结构的高熵稀土锆酸盐，被视为热障涂层中极具前景的候选材料。例如，任等人发现，(sm0.2eu0.2tb0.2dy0.2lu0.2)2zr2o7高熵氧化物相比于单一稀土锆酸盐表现出更低的热导率。周等通过固相反应法合成了(la0.2nd0.2sm0.2eu0.2gd0.2)2zr2o7高熵陶瓷。由于其缓慢的扩散效应以及热膨胀系数与基体材料的良好匹配，这些陶瓷表现出优异的热稳定性和改善的抗热震性能。毛等人在1200℃下通过反应快速烧结制备了高熵陶瓷(la0.2nd0.2sm0.2eu0.2gd0.2)2zr2o7。通过这种烧结方法生产的陶瓷具有0.6 μm的小晶粒尺寸，并展现出优异的机械性能。

3、以上研究结果表明，无一例外的，a位掺杂元素能够显著影响a2b2o7高熵氧化物的高温热性能和机械性能。由于高熵稀土锆酸盐的a位包含多种稀土离子，而这些离子在离子半径和原子质量等物理性质上存在差异，这些差异引发了严重的晶格畸变，从而显著影响了材料的相结构、热学和力学性能。这表明高熵陶瓷中a位多元素掺杂可有效优化其微观结构和性能。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提出一种具有优异热物理性能，高机械性能的高熵稀土锆酸盐陶瓷及其制备方法，利用该方法制备的高熵稀土锆酸盐陶瓷具有均一相结构、晶粒尺寸小，元素分布均匀、相稳定、低热导率、高热膨胀系数，高机械性能的特点。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种具有优异热物理性能，高机械性能的高熵稀土锆酸盐陶瓷，其化学式为(la0.2nd0.2sm0.2gd0.2ho(0.2-x)erx)2zr2o7，其中，0≤x≤0.2，具体的化学式为：(la0.2nd0.2sm0.2gd0.2ho0.2)2zr2o7, (la0.2nd0.2sm0.2gd0.2ho0.1er0.1)2zr2o7,(la0.2nd0.2sm0.2gd0.2ho0.05er0.15)2zr2o7,(la0.2nd0.2sm0.2gd0.2er0.2)2zr2o7, (la0.2nd0.2sm0.2gd0.2ho0.15er0.05)2zr2o7。

4、一种具有优异热物理性能，高机械性能的高熵稀土锆酸盐陶瓷，该高熵陶瓷材料的室温热导率为1.745w.m-1.k-1~1.976w.m-1.k -1，热膨胀系数为11.2×10-6 k-1~11.69×10-6 k-1，硬度为9.639 gpa~11.259 gpa, 断裂韧性为1.196 mpa.m0.5~2.382 mpa.m0.5。

5、一种具有优异热物理性能，高机械性能的高熵稀土锆酸盐陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

6、步骤1：将稀土氧化物按化学式摩尔比称量，在溶液中混合并球磨，以形成均匀的浆料。之后，浆料经过烘干处理，再通过筛分以收集粉末。

7、具体的，介质球为锆球，包含大锆球和小锆球，所述大锆球的直径为8～10毫米，所述小锆球的直径为4～6毫米，大锆球和小锆球的直径比为2:1，重量比为1:1，以去离子水或无水乙醇为介质湿法球磨。

8、具体的，机械球磨转速为200～500转/分钟，球磨时间为12～36小时，得到的浆料在烘箱烘干，温度60℃～180℃，时间6～24h，烘干后的粉料过标准筛，标准筛目数40～250目。

9、步骤2：将得到的粉体进行造粒并过筛，过筛后的粉末被装入模具中，压制成生胚块体。将生胚块体放置在坩埚中中，并置于高温马弗炉内进行分段烧结，烧结完成后冷却得到目标产物(la0.2nd0.2sm0.2gd0.2ho(0.2-x)erx)2zr2o7，0≤x≤0.2。

10、具体的，将得到的粉末添加粘结剂，粘连剂主要包括：聚乙烯醇，聚乙烯脂等，浓度5-12%；过筛，目数60～250目，得到造粒陶瓷粉末。

11、具体的，造粒陶瓷粉末利用压片机制得陶瓷生胚块体，压力机施加压力100～300mpa，保压时间0.5～5min。

12、具体的，压制处理后将成型后的生坯置于坩埚中进行烧结，坩埚包括：氧化铝坩埚，氧化锆坩埚，莫来石坩埚。

13、具体的，烧结时排胶的温度为450～650℃，排胶的时长为1～3h；烧结温度1500~1650℃，升温速率3-15℃/min，保温5~20小时，以3-15℃/ min降温至600℃后，随炉降温至室温。

14、具体的，所述具有优异热物理性能，高机械性能的高熵稀土锆酸盐陶瓷材料可作为耐磨、防护材料使用。

15、具体的，具有具有优异热物理性能，高机械性能的高熵稀土锆酸盐陶瓷材料可作为涂层使用。

16、本发明的有益效果在于：

17、本发明的高熵稀土锆酸盐陶瓷具备制备工艺简单，具有优异的综合性能，具体表现为均一相结构和均匀元素分布，保证了材料的高相稳定性和高机械强度。该材料具有低热导率和高热膨胀系数，能够有效应用于需要高温稳定性和耐热性能的领域。此外，材料的高机械性能使其在高强度应用场景中表现出色，具有广泛的工业应用前景。

技术特征：

1.一种具有优异热物理性能，高机械性能的高熵稀土锆酸盐陶瓷，其特征在于，化学式为(la0.2nd0.2sm0.2gd0.2ho(0.2-x)erx)2zr2o7，其中，0≤x≤0.2。

2.根据权利要求1所述的具有优异热物理性能，高机械性能的高熵稀土锆酸盐陶瓷，其特征在于，具体化学式为：(la0.2nd0.2sm0.2gd0.2ho0.2)2zr2o7，(la0.2nd0.2sm0.2gd0.2ho0.1er0.1)2zr2o7，(la0.2nd0.2sm0.2gd0.2ho0.05er0.15)2zr2o7，(la0.2nd0.2sm0.2gd0.2er0.2)2zr2o7， (la0.2nd0.2sm0.2gd0.2ho0.15er0.05)2zr2o7。

3.根据权利要求1或2所述的具有优异热物理性能，高机械性能的高熵稀土锆酸盐陶瓷，其特征在于：该高熵陶瓷材料的室温热导率为1.745w.m-1.k-1~1.976w.m-1.k -1，热膨胀系数为11.2×10-6 k-1~11.69×10-6 k-1，硬度为9.639 gpa~11.259 gpa, 断裂韧性为1.196mpa.m0.5~2.382 mpa.m0.5，平均晶粒尺寸＜1.5um。

4.根据权利要求1～3任一项所述所述的具有优异热物理性能，高机械性能的高熵稀土锆酸盐陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的具有优异热物理性能，高机械性能的高熵稀土锆酸盐陶瓷的制备方法，其特征在于：所述步骤s1中介质球为锆球，包含大锆球和小锆球，所述大锆球的直径为8～10毫米，所述小锆球的直径为4～6毫米，大锆球和小锆球的直径比为2:1，重量比为1:1，以去离子水或无水乙醇为介质湿法球磨；所述球磨处理的转速为150-360 rpm/min，时间为12-48小时。

6.根据权利要求4所述的具有优异热物理性能，高机械性能的高熵稀土锆酸盐陶瓷的制备方法，其特征在于：所述步骤s1中的球磨处理完成后，对球磨得到的混合粉料依次进行烘干和过筛处理；所述烘干处理温度为60～180℃，时间6～24 h，所述过筛处理用筛网的目数为40-250目。

7.根据权利要求4所述的具有优异热物理性能，高机械性能的高熵稀土锆酸盐陶瓷的制备方法，其特征在于：所述步骤s2中将过筛后的粉末加入粘结剂，粘连剂主要包括：聚乙烯醇，聚乙烯脂等，浓度5-12%。

8.根据权利要求4所述的具有优异热物理性能，高机械性能的高熵稀土锆酸盐陶瓷的制备方法，其特征在于：所述步骤s2压坯的压力为120～250mpa，压坯的保压时长为0.5～5min；压制处理后将成型后的生坯置于坩埚中进行烧结，坩埚包括氧化铝坩埚、氧化锆坩埚、莫来石坩埚。

9.根据权利要求4所述的具有优异热物理性能，高机械性能的高熵稀土锆酸盐陶瓷的制备方法，其特征在于：所述步骤s2中，烧结时排胶的温度为450～650℃，排胶的时长为1～3h；烧结温度1500~1650℃，升温速率3-15℃/min，保温5~20小时，以3-15℃/ min降温至600℃后，随炉降温至室温。

10.权利要求1～3任一项所述高熵稀土锆酸盐陶瓷或权利要求4～9任一项所述制备方法制备得到的高熵氧化物陶瓷在隔热材料或热障涂层材料中应用。

技术总结本发明涉及一种具有优异热物理性能和高机械性能的高熵稀土锆酸盐陶瓷及其制备方法。该陶瓷材料的化学式为(La<subgt;0.2</subgt;Nd<subgt;0.2</subgt;Sm<subgt;0.2</subgt;Gd<subgt;0.2</subgt;Ho<subgt;(0.2‑x)</subgt;Er<subgt;x</subgt;)<subgt;2</subgt;Zr<subgt;2</subgt;O<subgt;7</subgt;，其中x的取值范围为0至0.2。通过特定的配方和工艺参数，制备得到的高熵稀土锆酸盐陶瓷具有均一的相结构、均匀的元素分布、低热导率和高热膨胀系数，并展现出优异的硬度和断裂韧性。该材料适用于高温结构部件、耐磨涂层等领域，具有广泛的工业应用潜力。制备方法包括球磨、烘干、造粒、成型及烧结等步骤，通过优化各步骤参数，最终获得性能卓越的陶瓷材料。技术研发人员：文玮,赵斯婷,王志豪,马星云受保护的技术使用者：西华师范大学技术研发日：技术公布日：2024/11/4