热障涂层用高熵陶瓷粉体及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种热障涂层用高熵陶瓷粉体，其特征在于，所述陶瓷粉体具有焦绿石结构，化学式为RE2Zr2O7，其中RE为稀土元素Y、La、Pr、Nd、Sm、Eu和Gd中的任意3～7种不同的金属元素，各RE元素的摩尔数与所有RE元素总摩尔数的百分比为5％～35％。制备方法为：将RE2O3粉体与ZrO2粉体混合，将混合粉体于1000～1700℃的加热条件下，在空气气氛中，加热1～10h，制得高熵陶瓷粉体。本发明专利技术制备的高熵陶瓷粉体，丰富了热障涂层材料的体系，具有成本低、简单易行、适用范围广等优点，有望应用于热障涂层领域。

High Entropy Ceramic Powder for Thermal Barrier Coating and Its Preparation Method

【技术实现步骤摘要】
热障涂层用高熵陶瓷粉体及其制备方法
本专利技术涉及一种热障涂层用高熵陶瓷粉体及其制备方法，属于热障涂层材料

技术介绍
焦绿石结构的稀土锆酸盐(RE2Zr2O7，其中，RE是一种稀土元素，或掺杂另一种稀土元素)具有低导热性，与金属基材相容，在高温下具有高稳定性和良好的耐烧结性等优点，可作为热障涂层材料使用。如，应用于燃气轮机或喷气发动机的金属合金表面，以使金属基底在长期服役过程中免于过热失效。RE2Zr2O7的低导热性优于目前广泛使用的YSZ，并且在高温长时间使用过程中物相和结构依然稳定，甚至可以将热障涂层材料的使用温度提高至1300℃以上。热障涂层材料的目标热导率是低于1W·m–1·K–1，但是稀土锆酸盐的固有热导率依然较高。因此进一步降低稀土锆酸盐的热导率依然是材料领域重要的研究目标。研究发现，引入缺陷(例如空位，置换和晶格畸变)已经被证明可以有效地降低焦绿结构RE2Zr2O7固有热导率[MZhao,etal.,JournalofEuropeanCeramicSociety37(2017)1-13]。另有研究表明，通过设计材料的成分合成的高熵碳化物，利用高熵效应和晶格畸变可以有效降低碳化物的热导率，最终得到的高熵碳化物热导率显著低于单相二元碳化物[XYan,etal.,JournalofAmericanCeramicSociety101(2018)4486-4491]。因此，将高熵化方法应用于稀土锆酸盐体系将有希望进一步减低RE2Zr2O7热障涂层材料的热导率，提升材料性能。通过将5种或更多元素等摩尔比或近等摩尔比制备成某种结构的固溶体，显著增加材料的熵值，构型熵稳定的单相化合物，是一种显著有效的获得高性能陶瓷材料的途径。如具有岩盐结构或简单六方结构的高熵碳化物，硼化物和硅化物已通过固相反应和高温烧结成功制备，这些高熵材料均具有优异的特性。至于氧化物陶瓷，单相的高熵岩盐(AO)，萤石(AO2)，钙钛矿(ABO3)和尖晶石(AB2O4)结构也已有报道，其中A和B是金属元素。研究发现，高熵氧化物具有高室温Li+电导率，优良的催化性能，极高的介电常数等特性。如，硅酸盐体系的高熵氧化物(5RE0.2)2Si2O7就具有极高稳定性在1300℃，并且表现出了优良的耐腐蚀性[YDong,etal.,JournalofEuropeanCeramicSociety39(2019)2574-2579]。但是，目前尚未见有关焦绿石结构的高熵锆酸盐报道。通过合理设计焦绿石结构的稀土锆酸盐的组分和制备工艺，有希望制备出具有焦绿石结构的、低导热的高熵稀土锆酸盐材料，对热障涂层材料的发展和应用具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术所要解决的问题是：提供一种热障涂层用高熵陶瓷粉体及其制备方法。为了解决以上技术问题，本专利技术采用的技术方案如下：一种热障涂层用高熵陶瓷粉体，其特征在于，所述陶瓷粉体具有焦绿石结构，化学式为RE2Zr2O7，其中RE为稀土元素Y、La、Pr、Nd、Sm、Eu和Gd中的任意3～7种不同的金属元素，各RE元素的摩尔数与所有RE元素总摩尔数的百分比为5％～35％。优选地，所述陶瓷粉体在300～1200℃温度范围内的热导率低于1W·m–1·K–1。本专利技术还提供了上述热障涂层用高熵陶瓷粉体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1)：按照摩尔比1:2的比例分别称取稀土氧化物RE2O3粉体及ZrO2粉体；其中，稀土氧化物RE2O3粉体为Y2O3、La2O3、Pr2O3、Nd2O3、Sm2O3、Eu2O3、Gd2O3中的任意3～7种；步骤2)：将RE2O3粉体与ZrO2粉体混合；步骤3)：将所得的混合粉体装入氧化铝坩埚，并置于马弗炉内，于1000～1700℃的加热条件下，在空气气氛中，加热1～10h，制得高熵陶瓷粉体。优选地，所述步骤1)中稀土氧化物RE2O3粉体的粒径为1～10μm，质量纯度≥99％；ZrO2粉体的粒径为0.2～1μm，质量纯度≥99％。优选地，所述步骤2)中的混合方式为湿法行星球磨，球磨介质为乙醇或丙酮，磨球材质为ZrO2，具体步骤为：采用湿法行星球磨工艺，在400～580转/分钟的转速下，将所称取的原料粉体球磨混合8～24h，再利用旋转蒸发仪将所得料浆烘干，得到干燥的混合粉体。优选地，所述步骤3)中马弗炉的升温速率为1～20℃/min。本专利技术采用Y2O3、La2O3、Pr2O3、Nd2O3、Sm2O3、Eu2O3和Gd2O3中的任意3～7种不同的氧化物粉体和ZrO2粉体为原料，通过无压烧结法，成功合成了具有焦绿石结构的高熵陶瓷粉体，且仅通过简单的调节初始原料中氧化物粉体的组合种类和含量，即可获得多种组分的具有焦绿石结构的高熵陶瓷粉体。以所合成的高熵粉体为原料制备的陶瓷材料，其热导率低于1W·m–1·K–1。与商业的单组份焦绿石结构锆酸盐相比，本专利技术所制备的具有焦绿石结构的高熵陶瓷粉体因晶胞中含有多种不同的金属原子，导致晶胞具有较高的晶格畸变，从而使所制备的陶瓷材料表现出了优异的低热导性能，有望应用于热障涂层领域。此外，本专利技术方法还具有制备工艺简单、可操控性强、容易实现规模化等优点。附图说明图1为图1为实施例1制备的热障涂层用高熵陶瓷粉体的XRD图谱；图2为实施例2制备的热障涂层用高熵陶瓷粉体的XRD图谱；图3为实施例3制备的热障涂层用高熵陶瓷粉体的XRD图谱；图4为实施例4以所合成的热障涂层用高熵陶瓷粉体为原料制备的高熵陶瓷材料的断面SEM形貌与EDS图谱的对比图；图5为实施例5以所合成的热障涂层用高熵陶瓷粉体为原料制备的高熵陶瓷材料的热导率。具体实施方式为使本专利技术更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。实施例1一种热障涂层用高熵陶瓷粉体的制备方法：将La2O3、Nd2O3、Sm2O3、Eu2O3、Gd2O3的原始粉末(粒径1μm，纯度99wt％)和ZrO2(粒径0.2μm，纯度99wt％)按摩尔比1:1:1:1:1:5(稀土元素的摩尔比为0.2:0.2:0.2:0.2:0.2:1)进行配料。以乙醇为介质、ZrO2球为磨球，在行星球磨机上以560转/分钟的转速进行球磨混合8h，在经旋转蒸发得到干燥的成分均匀的混合粉末；将所得的成分均匀的混合粉体装入氧化铝坩埚，然后置于马弗炉内，在空气气氛中，以1℃/min的速率升温，于1000℃条件下保温1h，制备高熵陶瓷粉体。经分析：所制备高熵陶瓷粉体的XRD图谱如图1所示。可见，所制备的粉体为单相焦绿石结构的高熵粉体，且仅含有面心立方结构的(La0.2Nd0.2Sm0.2Eu0.2Gd0.2)2Zr2O7。实施例2一种热障涂层用高熵陶瓷粉体的制备方法：将Y2O3、La2O3、Sm2O3、Eu2O3、Gd2O3的原始粉末(粒径5μm，纯度99wt％)和ZrO2粉末(粒径0.5μm，纯度99wt％)按摩尔比1:1:1:1:1:5(稀土元素的摩尔比为0.2:0.2:0.2:0.2:0.2:1)进行配料，以乙醇为介质、ZrO2球为磨球，在行星球磨机上以500转/分钟的转速进行球磨混合16h，在经旋转蒸发得到干燥的成分均匀的混合粉末；将所得的成分均匀的混合粉体装入氧化铝坩埚，然后置于马弗炉内，在空气气氛中，以10℃/min的速率升温，于120本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种热障涂层用高熵陶瓷粉体，其特征在于，所述陶瓷粉体具有焦绿石结构，化学式为RE2Zr2O7，其中RE为稀土元素Y、La、Pr、Nd、Sm、Eu和Gd中的任意3～7种不同的金属元素，各RE元素的摩尔数与所有RE元素总摩尔数的百分比为5％～35％。

【技术特征摘要】
1.一种热障涂层用高熵陶瓷粉体，其特征在于，所述陶瓷粉体具有焦绿石结构，化学式为RE2Zr2O7，其中RE为稀土元素Y、La、Pr、Nd、Sm、Eu和Gd中的任意3～7种不同的金属元素，各RE元素的摩尔数与所有RE元素总摩尔数的百分比为5％～35％。2.如权利要求1所述的热障涂层用高熵陶瓷粉体，其特征在于，所述陶瓷粉体在300～1200℃温度范围内的热导率低于1W·m–1·K–1。3.一种权利要求1所述的热障涂层用高熵陶瓷粉体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1)：按照摩尔比1:2的比例分别称取稀土氧化物RE2O3粉体及ZrO2粉体；其中，稀土氧化物RE2O3粉体为Y2O3、La2O3、Pr2O3、Nd2O3、Sm2O3、Eu2O3、Gd2O3中的任意3～7种；步骤2)：将RE2O3粉体与ZrO2粉体混合；步骤3)：将所得的混合...

【专利技术属性】
技术研发人员：张国军，周林，李飞，刘吉轩，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：上海,31