专利名称：稀土离子掺杂六铝酸盐高发射率材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及高发射率材料及其制备方法。
背景技术：
耐高温金属材料在热结构部件和飞行器热防护系统中有着广泛的应用。金属材料的使用温度受到本身性质的制约，钛合金可以应用于650°C的环境；Y-TiAl合金能够承受870°C的高温；镍基高温合金的最高使用温度可以达到1000 1100°C。然而，现代航空航天以及军事工业技术的飞速发展使材料的服役环境更为苛刻。为了防止金属材料如镍基高温合金在高温下性能退化，其表面往往需要制备一层抗氧化、抗热震以及具有高发射率的多功能防护涂层，通过辐射散热的方式将大部分热量散失掉。
根据维恩位移定律，随着温度的增加，红外辐射的峰值波长向短波方向移动。由普朗克定律可以计算出，当黑体温度在1000°c时，约97%的辐射能集中在I 14 μ m波段。迄今为止，研究发现过渡金属氧化物体系和碳化硅及其陶瓷基复合材料在这一波段内具有较高的发射率。然而，过渡金属氧化物体系抗热冲击性较差；而碳化硅及其陶瓷基复合材料与耐高温金属材料存在热膨胀失配的问题，使得它在航空航天和军事工业等方面的应用受到限制。近年来，六铝酸盐材料引起了人们的广泛关注。它具有与耐高温金属材料相匹配的热膨胀系数以及较高的熔点和优异的高温热稳定性，这些性能使它足以胜任苛刻的高温环境，然而其热辐射性能尚未见报道。
发明内容
本发明目的是为了解决现有镍基高温合金表面防护涂层难以同时满足高发射率、抗热震和抗氧化的多功能要求的问题，而提供稀土离子掺杂六铝酸盐高发射率材料及其制备方法。稀土离子掺杂六铝酸盐高发射率材料的化学式为LahLnxMgAl11O19，其中Ln = Nd、Sm 或 Dy,O ^ x ^ I0稀土离子掺杂六铝酸盐高发射率材料的制备方法按以下步骤实现—、将氧化物粉体A、MgO和Al2O3分别置于坩埚中，再将坩埚置于高温炉中，以100 300°C /h的升温速度升温至600 1000°C，保温I 4h后，以100 500°C /h的降
温速度降至室温；二、依照化学式LahLnxMgAl11O19,按化学计量比称取经步骤一处理后的氧化物粉体A、MgO和Al2O3，置于球磨瓶中，加入无水乙醇和磨球，湿磨混合均匀，得到混合物；三、将步骤二得到的混合物烘干、过160 500目筛后，在10 40MPa的压力下冷压成型，再在100 400MPa下冷等静压，保压时间为3 lOmin，得到坯体；四、将步骤五中得到的坯体在温度为1500 1700°C的条件下，烧结5 30h，即完成稀土离子掺杂六铝酸盐高发射率材料的制备；其中步骤一中氧化物粉体A为La203、Nd203、Sm2O3和Dy2O3中的一种或两种；
步骤二中化学式LahLnxMgAl11O19 中 Ln = Nd、Sm 或 Dy, O ^ x ^ I ；步骤二中氧化物粉体A、MgO和Al2O3的总质量与无水乙醇的质量比为I : (O. 5 3)；步骤二中氧化物粉体A、MgO和Al2O3的总质量与磨球的质量比为I : (3 5)。本发明的有益效果是制备方法工艺简单、成本低以及适合于大批量生产。制得的La1^xLnxMgAl11O19在3 14 μ m整个波段内法向光谱发射率均大于O. 7，在6 11 μ m波段接近于I. 0，有利于应用于高超声速飞行器上外蒙皮的热防护涂层材料，可以同时满足高发射率、抗热震和抗氧化的多功能要求。
图I是具体实施方式
九中所得产物Laa9NdaiMgAl11O19陶瓷的X射线衍射(XRD)图谱；图2是具体实施方式
九中所得产物Laa9NdaiMgAl11O19陶瓷的扫描电子显微镜(SEM)微观形貌图；图3是具体实施方式
九中所得产物Laa9NdaiMgAl11O19陶瓷在500°C下的法向光谱发射率；图4是具体实施方式
十中所得产物Laa9SmaiMgAl11O19陶瓷在500°C下的法向光谱发射率。
具体实施例方式具体实施方式
一本实施方式稀土离子掺杂六铝酸盐高发射率材料的化学式为LahLnxMgAl11O19,其中 Ln = Nd、Sm 或 Dy,O ^ x ^ I0具体实施方式
二 本实施方式稀土离子掺杂六铝酸盐高发射率材料的制备方法按以下步骤实现一、将氧化物粉体A、MgO和Al2O3分别置于坩埚中，再将坩埚置于高温炉中，以100 300°C /h的升温速度升温至600 1000°C，保温I 4h后，以100 500°C /h的降
温速度降至室温；二、依照化学式LahLnxMgAl11O19,按化学计量比称取经步骤一处理后的氧化物粉体A、MgO和Al2O3，置于球磨瓶中，加入无水乙醇和磨球，湿磨混合均匀，得到混合物；三、将步骤二得到的混合物烘干、过160 500目筛后，在10 40MPa的压力下冷压成型，再在100 400MPa下冷等静压，保压时间为3 lOmin，得到坯体；四、将步骤五中得到的坯体在温度为1500 1700°C的条件下，烧结5 30h，即完成稀土离子掺杂六铝酸盐高发射率材料的制备；其中步骤一中氧化物粉体A为La2O3、Nd2O3、Sm2O3和Dy2O3中的一种或两种；步骤二中化学式LahLnxMgAl11O19 中 Ln = Nd、Sm 或 Dy, O ^ x ^ I ；步骤二中氧化物粉体A、MgO和Al2O3的总质量与无水乙醇的质量比为I : (O. 5 3)；步骤二中氧化物粉体A、MgO和Al2O3的总质量与磨球的质量比为I : (3 5)。
具体实施方式
三本实施方式与具体实施方式
二不同的是步骤一中以200°C /h的升温速度升温至800°C，保温2h后，以300°C /h的降温速度降至室温。其它步骤及参数与具体实施方式
二相同。
具体实施方式
四本实施方式与具体实施方式
二或三不同的是步骤二中氧化物粉体A、MgO和Al2O3的总质量与无水乙醇的质量比为I : 1.5。其它步骤及参数与具体实施方式
二或三相同。
具体实施方式
五本实施方式与具体实施方式
二至四之一不同的是步骤二中氧化物粉体A、MgO和Al2O3的总质量与磨球的质量比为I : 4。其它步骤及参数与具体实施方式
二至四之一相同。
具体实施方式
六本实施方式与具体实施方式
二至五之一不同的是步骤二中磨球材质为ZrO2，大小为O. 3 10mm。其它步骤及参数与具体实施方式
二至五之一相同。
具体实施方式
七本实施方式与具体实施方式
二至六之一不同的是步骤三中混合 物烘干、过300目筛后，在30MPa的压力下冷压成型，再在300MPa下冷等静压，保压时间为5min。其它步骤及参数与具体实施方式
二至六之一相同。
具体实施方式
八本实施方式与具体实施方式
二至七之一不同的是步骤四中坯体在温度为1600°C的条件下，烧结10h。其它步骤及参数与具体实施方式
二至七之一相同。
具体实施方式
九本实施方式稀土离子掺杂六铝酸盐高发射率材料的制备方法按以下步骤实现一、将氧化物粉体La2O3、Nd2O3、MgO和Al2O3分别置于坩埚中，再将坩埚置于高温炉中，以300°C /h的升温速度升温至900°C，保温3h后，以100°C /h的降温速度降至室温；二、依照化学式LahLnxMgAl11O19,按化学计量比称取经步骤一处理后的氧化物粉体La203、Nd203、MgO和Al2O3,置于球磨瓶中，加入无水乙醇和磨球，湿磨混合均匀，得到混合物；三、将步骤二得到的混合物烘干、过500目筛后，在20MPa的压力下冷压成型，再在300MPa下冷等静压,保压时间为5min,得到还体；四、将步骤五中得到的坯体在温度为1700°C的条件下，烧结10h，即完成稀土离子掺杂六铝酸盐高发射率材料的制备；其中步骤二中氧化物粉体La2O3、Nd2O3、MgO和Al2O3的总质量与无水乙醇的质量比为 I : 2 ;步骤二中氧化物粉体La203、Nd203、Mg0和Al2O3的总质量与磨球的质量比为I : 3。本实施方式中步骤二中按化学计量比称取经步骤一处理后的氧化物粉体，分别为14. 662g 的 La2O3U. 682g 的 Nd203>4. 030g 的 MgO 和 56. 079g 的 Al2O30本实施方式中制备所得稀土离子掺杂六铝酸盐高发射率材料的化学式为Laa9Nda WgAl11O1P所得试样的XRD如图I所示，峰型狭窄而尖锐，说明样品结晶良好，衍射峰位置显示Laa9NdaiMgAl11O19为磁铅石结构六招酸盐。图2显示其晶粒呈长方板状。图3显示Laa9NdaiMgAl11O19在3 14 μ m整个波段内法向光谱发射率均大于O. 7，在6 11 μ m波段更是接近于I. 0，显示出优异的热辐射性能。
具体实施方式
十本实施方式稀土离子掺杂六铝酸盐高发射率材料的制备方法按以下步骤实现—、将氧化物粉体La2O3、Sm2O3、MgO和Al2O3分别置于坩埚中，再将坩埚置于高温炉中，以250°C /h的升温速度升温至950°C，保温2. 5h后，以150°C /h的降温速度降至室温；二、依照化学式LahLnxMgAl11O19,按化学计量比称取经步骤一处理后的氧化物粉体La203、Sm2O3> MgO和Al2O3,置于球磨瓶中，加入无水乙醇和磨球，湿磨混合均匀，得到混合物；三、将步骤二得到的混合物烘干、过300目筛后，在30MPa的压力下冷压成型，再在300MPa下冷等静压,保压时间为6min,得到还体；四、将步骤五中得到的坯体在温度为1650°C的条件下，烧结10h，即完成稀土离子掺杂六铝酸盐高发射率材料的制备；其中步骤二中氧化物粉体A、MgO和Al2O3的总质量与无水乙醇的质量比为I I. 5 ；步骤二中氧化物粉体A、MgO和Al2O3的总质量与磨球的质量比为I : 3.5。 本实施方式中步骤二中按化学计量比称取经步骤一处理后的氧化物粉体，分别为14. 662g 的 La2O3U. 682g 的 Nd203>4. 030g 的 MgO 和 56. 079g 的 Al2O30本实施方式中制备所得稀土离子掺杂六铝酸盐高发射率材料的化学式为Laa9NdaiMgAl11O1P如图4所示Laa9Sma^gAl11O19在6 11 μ m波段内法向光谱发射率大于O. 9，显示出优异的热辐射性能。
权利要求
1.稀土离子掺杂六铝酸盐高发射率材料，其特征在于稀土离子掺杂六铝酸盐高发射率材料的化学式为 La^xLnxMgAl11O19,其中 Ln = Nd、Sm 或 Dy,O ^ x ^ I0
2.如权利要求I所述稀土离子掺杂六铝酸盐高发射率材料的制备方法，其特征在于稀土离子掺杂六铝酸盐高发射率材料的制备方法按以下步骤实现 一、将氧化物粉体A、MgO和Al2O3分别置于坩埚中，再将坩埚置于高温炉中，以100 3000C /h的升温速度升温至600 1000°C，保温I 4h后，以100 500°C /h的降温速度降至室温； 二、依照化学式LahLnxMgAl11O19,按化学计量比称取经步骤一处理后的氧化物粉体A、MgO和Al2O3，置于球磨瓶中，加入无水乙醇和磨球，湿磨混合均匀，得到混合物； 三、将步骤二得到的混合物烘干、过160 500目筛后，在10 40MPa的压力下冷压成型，再在100 400MPa下冷等静压，保压时间为3 lOmin，得到坯体； 四、将步骤五中得到的坯体在温度为1500 1700°C的条件下，烧结5 30h，即完成稀土离子掺杂六铝酸盐高发射率材料的制备； 其中步骤一中氧化物粉体A为La203、Nd203、Sm2O3和Dy2O3中的一种或两种； 步骤二中化学式 LahLnxMgAl11O19 中 Ln = Nd、Sm 或 Dy, O ^ x ^ I ； 步骤二中氧化物粉体A、MgO和Al2O3的总质量与无水乙醇的质量比为I : (O. 5 3); 步骤二中氧化物粉体A、MgO和Al2O3的总质量与磨球的质量比为I : (3 5)。
3.根据权利要求2所述的稀土离子掺杂六铝酸盐高发射率材料的制备方法，其特征在于步骤一中以200°C /h的升温速度升温至800°C，保温2h后，以300°C /h的降温速度降至室温。
4.根据权利要求2所述的稀土离子掺杂六铝酸盐高发射率材料的制备方法，其特征在于步骤二中氧化物粉体A、MgO和Al2O3的总质量与无水乙醇的质量比为I : 1.5。
5.根据权利要求2所述的稀土离子掺杂六铝酸盐高发射率材料的制备方法，其特征在于步骤二中氧化物粉体A、MgO和Al2O3的总质量与磨球的质量比为I : 4。
6.根据权利要求2所述的稀土离子掺杂六铝酸盐高发射率材料的制备方法，其特征在于步骤二中磨球材质为Zr2O3,大小为O. 3 10mm。
7.根据权利要求2所述的稀土离子掺杂六铝酸盐高发射率材料的制备方法，其特征在于步骤三中混合物烘干、过300目筛后，在30MPa的压力下冷压成型，再在300MPa下冷等静压，保压时间为5min。
8.根据权利要求2所述的稀土离子掺杂六铝酸盐高发射率材料的制备方法，其特征在于步骤四中坯体在温度为1600°C的条件下，烧结10h。
全文摘要
稀土离子掺杂六铝酸盐高发射率材料及其制备方法，它涉及高发射率材料及其制备方法。它为了解决现有镍基高温合金表面防护涂层难以同时满足高发射率、抗热震和抗氧化的多功能要求的问题。产品的化学式为La1-xLnxMgAl11019，其中Ln＝Nd、Sm或Dy，0≤x≤1。方法一、原料处理；二、依照化学式，按化学计量比称取处理后的原料，球磨后得混合物；三、混合物烘干、过筛后冷压成型再冷等静压并保压，得坯体；四、坯体经烧结后即完成。本发明制备方法工艺简单、成本低以及适合于大批量生产；所得产品有利于应用于高超声速飞行器上外蒙皮的热防护涂层材料，可以同时满足高发射率、抗热震和抗氧化的多功能要求。
文档编号C04B35/10GK102815928SQ20121030762
公开日2012年12月12日 申请日期2012年8月27日 优先权日2012年8月27日
发明者欧阳家虎, 刘虹志, 刘占国, 王亚明 申请人:哈尔滨工业大学