一种二价镁离子掺杂钽酸钇高温陶瓷及其制备方法与流程

本发明涉及一种二价镁离子掺杂钽酸钇高温陶瓷及其制备方法，属于高温陶瓷制备技术领域。

背景技术：

从近些年对高温陶瓷材料的发展来看，可能适用于高温热障涂层的陶瓷材料主要有氧化钇/氧化铈稳定的氧化锆、氧化锆/氧化铝、稀土锆酸盐，稀土铝酸盐，稀土磷酸盐，多元氧化物稳定氧化锆，稀土焦绿石或萤石结构化合物，磷灰石结构稀土硅酸盐石榴石（yag）结构，磁铅石结构，钙钛矿结构等材料，由于氧化钇稳定的氧化锆（ysz）具备优良的综合性能，因此是目前广泛应用的陶瓷热障涂层。但是氧化钇稳定的氧化锆（ysz）在温度超过1200℃，会存在一定的缺陷，首先是高温相稳定性，氧化钇稳定的氧化锆（ysz）是以一种亚稳态四方相（t’）存在，在较高温度下（>1200℃时），会转变为四方相（t）和立方相（c）的混合物；其次，ysz的烧结速率会随温度升高而加快，研究表明在ysz涂层的制备过程中会产生微量的sio2杂质，而sio2杂质的存在将显著提高ysz涂层高温下的烧结速率，导致气孔率减小，从而使热导率升高，最终将导致热障涂层陶瓷材料脱落失效，已经难以满足热能发动机前燃气进口温度不断提高的要求。因此，亟需寻求一种能够长期稳定工作于1200℃以上条件下的新型热障涂层陶瓷材料。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种二价镁离子掺杂钽酸钇高温陶瓷，主要用于热障涂层材料，有很好的热学及力学性能，其结构式为y1-xmgxtao(4-x/2)（x为0~0.16)。

本发明的另一目的在于提供所述二价镁离子掺杂钽酸钇高温陶瓷的制备方法，具体包括以下步骤：

（1）按照mg²⁺掺杂量的不同称取相应的氧化镁、氧化钽和稀土氧化钇，通过球磨的方法混合均匀；

（2）混匀之后的样品经过干燥、过筛，将过筛后的粉末置于模具内压实，然后在高温炉中进行烧结，得到mg²⁺离子掺杂钽酸钇高温陶瓷。

优选的，本发明步骤（1）中球磨过程中球磨机的转速为400~500r/min，球磨时间为160~200min。

优选的，本发明步骤（2）中干燥过程的温度为70~80℃，时间为12~24小时；过筛过程中粉末过250~350目筛。

优选的，本发明步骤（2）中混合粉末压实时，保压压力为10~15mpa，保压时间为20~40min。

优选的，本发明步骤（2）中在高温炉中烧结温度为1650~1700℃，煅烧时间为10~12小时。

本发明所述氧化镁、氧化钽和稀土氧化钇的纯度≥99.99%。

本发明的有益效果是：

（1）本发明所述方法中粉末能够完全混合均匀，在烧结过程中完全反应，所制得的二价mg²⁺离子掺杂钽酸钇高温陶瓷有很好的高温热稳定性，有望作为一种潜在的高温陶瓷材料。

（2）所制得的二价mg²⁺离子掺杂钽酸钇高温陶瓷在高温下热导较低1.45～1.65w/mk，在高温下热膨胀系数为（（9～9.5）×10^–6k^-1）。

附图说明

图1为实施例4制备的（y0.84mg0.16tao3.92）高温陶瓷块体的扫描电镜图(sem图谱)。

图2为实施例4制备的（y0.84mg0.16tao3.92）与氧化钇稳定性氧化锆(7%-8%ysz)的热导率的图谱。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。

实施例1

一种钽酸钇高温陶瓷材料（ytao4）的制备方法，具体包括以下步骤：

称取氧化钇2.825g，氧化钽5.525g，在无水乙醇中混合，置于行星式球磨机中球磨（球磨机的转速为400r/min，球磨时间为180min），将球磨好的混合物在74℃下干燥24小时后过300目筛，然后用模具压制成型（保压压力为10mpa，保压时间为30min），压制成型后，将其在1700℃下煅烧10小时，冷却至室温，即得到所需致密的钽酸钇高温陶瓷（ytao4）高温陶瓷，反应方程式为y2o3+ta2o5=2ytao4。

如表1所示，本实施例制备得到的钽酸钇高温陶瓷材料的体模量、杨氏模量和剪切模量的值分别为：130.7,148.7，52.4gpa；根据clarke和slack模型，以及公式、求出y1-xmgxtao(4-x/2)（x为0~0.16)陶瓷的极限热导率；从clarke模型可以得出体模量对于热导有着重要的影响，其模量越低，热导越低，使得改陶瓷材料能应用在绝热材料方面的可能性；从slack模型我们可以得知，德拜温度对于热导也是一个重要的参数，如果德拜温度越低，其热导也越低；可见这些热性能参数都是影响热导的重要因数；在力学方面，其纯样品的硬度大约为5.15gpa。

实施例2

一种耐高温、抗氧化、抗磨损二价mg²⁺离子掺杂钽酸钇高温陶瓷材料（y0.96mg0.04tao3.98）的制备方法，具体包括以下步骤：

称取氧化镁0.04g，氧化钇2.712g，氧化钽5.525g，在无水乙醇中混合后，置于行星式球磨机中球磨（球磨机的转速为400r/min，球磨时间为180min），将球磨好的混合物在74℃下干燥24小时后过300目筛，然后用模具压制成型（保压压力为10mpa，保压时间为30min），压制成型后，将其在1700℃下煅烧10小时，冷却至室温，即得到所需致密的二价mg²⁺离子掺杂钽酸钇高温陶瓷（y0.96mg0.04tao3.98）高温陶瓷，反应方程式为0.04mgo+0.48y2o3+0.5ta2o5=y0.96mg0.04tao3.98。

如表1所示，本实施例制备得到的y0.96mg0.04tao3.98的体模量、杨氏模量和剪切模量的值分别为98.1，145.5，60.4gpa；y0.96mg0.04tao3.98相对于纯样品杨氏模量的值有所下降，并且德拜温度的值也有明显的下降；所以根据clarke和slack模型算出来的热导相对于纯样品的热导有所降低；其硬度相对于纯样有所下降，其维氏硬度值大约为：5.03gpa。

实施例3

一种耐高温、抗氧化、抗磨损二价mg²⁺离子掺杂钽酸钇高温陶瓷材料（y0.92mg0.08tao3.96）的制备方法，具体包括以下步骤：

称取氧化镁0.08g，氧化钇2.599g，氧化钽5.525g，在无水乙醇中混合后，置于行星式球磨机中球磨（球磨机的转速为400r/min，球磨时间为180min），将球磨好的混合物在74℃下干燥24小时后过300目筛，然后用模具压制成型（保压压力为10mpa，保压时间为30min），压制成型后，将其在1700℃下煅烧10小时，冷却至室温，即得到所需致密的二价mg²⁺离子掺杂钽酸钇高温陶瓷（y0.92mg0.08tao3.96）高温陶瓷，反应方程式为0.08mgo+0.46y2o3+0.5ta2o5=y0.92mg0.08tao3.96。

如表1所示，本实施例制备的y0.92mg0.08tao3.96的体模量、杨氏模量和剪切模量的值分别为98.8，140.9，57.7gpa；相对于纯样品和掺杂量为0.04g镁相比可以看出杨氏模量的值有所下降，并且德拜温度的值也有明显的下降；所以根据clarke和slack模型算出来的热导相对于纯样品的热导有所降低；其硬度相对于纯样有所下降，其维氏硬度值大约为：4.81gpa。

实施例4

一种耐高温、抗氧化、抗磨损二价mg²⁺离子掺杂钽酸钇高温陶瓷材料（y0.88mg0.12tao3.94）的制备方法，具体包括以下步骤：

称取氧化镁0.12g，氧化钇2.486g，氧化钽5.525g，在无水乙醇中混合后，置于行星式球磨机中球磨（球磨机的转速为400r/min，球磨时间为180min），将球磨好的混合物在74℃下干燥24小时后过300目筛，然后用模具压制成型（保压压力为15mpa，保压时间为20min），压制成型后，将其在1700℃下煅烧10小时，冷却至室温，即得到所需致密的二价mg²⁺离子掺杂钽酸钇高温陶瓷（y0.88mg0.12tao3.94）高温陶瓷，反应方程式为0.12mgo+0.44y2o3+0.5ta2o5=y0.88mg0.12tao3.94。

如表1所示，本实施例制备的y0.88mg0.12tao3.94的体模量、杨氏模量和剪切模量的值分别为118.6，123.2，46.4gpa；相对于纯样品和掺杂量为0.08g镁相比可以看出杨氏模量的值有所下降，并且德拜温度的值也有明显的下降；所以根据clarke和slack模型算出来的热导相对于纯样品的热导有所降低；其硬度相对于纯样有所下降，其维氏硬度值大约为：4.94gpa。

实施例5

一种耐高温、抗氧化、抗磨损二价mg²⁺离子掺杂钽酸钇高温陶瓷材料（y0.84mg0.16tao3.92）的制备方法，具体包括以下步骤：

称取氧化镁0.16g，氧化钇2.373g，氧化钽5.525g，在无水乙醇中混合后，置于行星式球磨机中球磨（球磨机的转速为400r/min，球磨时间为180min），将球磨好的混合物在74℃下干燥24小时后过300目筛，然后用模具压制成型（保压压力为10mpa，保压时间为30min），压制成型后，将其在1700℃下煅烧10小时，冷却至室温，即得到所需致密的二价mg²⁺离子掺杂钽酸钇高温陶瓷（y0.84mg0.16tao3.92）高温陶瓷，反应方程式为0.16mgo+0.42y2o3+0.5ta2o5=y0.84mg0.16tao3.92。

如表1所示，本实施例制备的y0.84mg0.16tao3.92的体模量、杨氏模量和剪切模量的值分别为86.1，94.9，36.1gpa；相对于纯样品和掺杂量为0.12g镁相比可以看出杨氏模量的值有所下降，并且德拜温度的值也有明显的下降；所以根据clarke和slack模型算出来的热导相对于纯样品的热导有所降低；其硬度相对于纯样有所下降，其维氏硬度值大约为：4.86gpa。

本实施例制备得到的二价mg²⁺离子掺杂钽酸钇高温陶瓷（y0.84mg0.16tao3.92）纯度高，形貌好，颗粒较细小，具有良好的性能，如图1所示的sem图谱。如图2所示，本实验所制得的（y0.84mg0.16tao3.92）与当前使用的7ysz和8ysz(2～3.5w.m^-1k^-1)相比较，（y0.84mg0.16tao3.92）在高温下有较低的热导率，根据高温热障涂层在使用情况下要具备的性能包括：熔点高、热导率低、热膨胀系数较高、耐高温氧化性较好、高温化学稳定性较好，与热生成氧化物氧化铝化学相容；（y0.84mg0.16tao3.92）在高温下具备优良的热学性质以及力学性能；在力学方面，较低的硬度值（495hv）可以有效地阻止残余应力和裂纹的传播，提高高温热障涂层的容韧性和断裂韧性，通过测试样品的模量可以对硬度值进行验证，并且（y0.84mg0.16tao3.92）在高温下经试验测得热膨胀系数为约为9.5×10^–6k^-1。因此二价mg²⁺离子掺杂量为0.16g的钽酸钇高温陶瓷有很好的高温热稳定性，有望作为一种潜在的高温陶瓷材料。

表1：y1-xmgxtao(4-x/2)陶瓷的模量，硬度，德拜温度

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