专利名称：一种隔热功能梯度材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种功能复合材料及其制备方法，特别涉及隔热复合材料及其制备方法，具 体的说是一种隔热功能梯度材料及其制备方法。
二背景技术：
功能梯度材料是一类在高温以及温差很大的情况下，可避免两层复合材料在结合处产生 较大应力集中，从而避免材料发生开裂和剥落现象的复合材料。功能梯度材料在航天器的隔 热以及内燃机燃烧室的隔热等领域有着重要的应用，已经成为近年来复合材料领域研究的热 点。其中以Ni—Zr02系功能梯度材料为代表的隔热功能梯度材料的研究最为深入，人们普遍 认为Zr02陶瓷材料是最优秀的陶瓷隔热材料，因为其导热率仅为0.7 2.4W/(m，K)，是陶瓷 材料中最低的一种，可见其隔热性能优越。并且其热膨胀系数可达7.5X10—6 10.0X10—6K—', 是热膨胀系数最接近金属热膨胀系数的陶瓷材料。从而在隔热时，可避免很大的应力集中产 生，可使得隔热效果良好，并且其隔热效果会随着工作温度的升高，变得越来越好。而Ni 则是一种熔点(1453'C)很高的金属，其与陶瓷材料混合烧结时，比较容易烧结成功，已广泛 用于制备金属与陶瓷的复合材料。
范秋林(Ni—Zr02精细功能梯度材料的设计、制备和分析.无机材料学报.1996,11 (4): 696-702)报道了具有隔热、防热和缓和热应力的Ni—Zr02精细功能梯度材料制备方法，并 分析了其成分分布、应力分布和组织结构。Jingchuan Zhu (Fabrication of Zr02 - NiCr functionally graded material by powder metallurgy. Materials Chemistry and Physics. 2001， 68: 130-135)提出了Zr02-NiCr系功能梯度材料所合适的制备程序，并通过显微镜 观察显示了Zr02 - NiCr系功能梯度材料沿材料配比梯度变化方向上的化学成分和结构，以及 金属和陶瓷之间界面的消除，另外，通过分析表明了功能梯度材料构成变化对材料机械性能 有很大的影响。张雷(功能梯度材料的制备技术.粉末冶金材料科学与工程.2003， 8 (1): 48-56)提出用粉末堆积法制备功能梯度材料，制备出的功能梯度材料是薄带状的。
上述已有的这些功能梯度材料制备方法。既有一些优点，也存在许多缺点势待解决，比 如制备过程需要高级设备、制备成本较高、制备工艺过于复杂，材料形状较薄等，这些均不 适应于大批量生产。还有陶瓷材料中如不加稳定剂，将会导致陶瓷材料在烧结时发生相变， 相变会使得材料发生开裂等现象，这样将降低烧结样品的质量。
三、 发明内容本发明针对现有技术的缺陷，旨在提供一种隔热性能好的功能梯度复合材料，所要解决 的技术问题是避免陶瓷粉末在烧结过程中的相变。
本发明所称的隔热功能梯度材料也是Ni—Zr02系隔热功能梯度材料，即由金属相Ni和 陶瓷相Zr02构成不同含量的三层混合料经铺叠、压制、烧结得到的隔热功能梯度材料，与现 有技术的区别是陶瓷相选用纳米Zr02粉末并均匀混合有稳定剂三氧化二钇(Y203)，掺入量 6 10% (摩尔百分比)，且在每层中金属相Ni和陶瓷相ZiU的重量百分含量的变化范围是 Ni: 0 60%、 Zr02: 40 100% 。
稳定剂￥203在Zr02中的掺入量优选8% (摩尔百分比)。
在每层中金属相Ni和陶瓷相Zr02的重量百分含量的变化范围优选Ni: 20 60%、 Zr02 : 40 80% 。
本隔热功能梯度材料的制备方法包括原料混合、压制、烧结和冷却，所述的混合有两层 含义， 一是Zr02和Y2O3的混合构成陶瓷相Zr02， 二是陶瓷相Zr02和金属相Ni混合成三层所 需的混合料；所述的压制就是将三层混合料依次逐层铺叠在模具中由压片机中于35 50Mpa 下压制成生坯，所述的烧结就将生坯置于烧结炉中在惰性气氛保护下于1300 1500'C烧结 1 2小时；烧结结束后冷却出料即得隔热功能梯度材料。本材料在断面方向上，由Ni含量 较低、ZrU含量较高的一侧渐近过度到Ni含量较高、Zr02含量较低的另一侧这一梯度分布。
如表1所示。表l为能谱测试所获隔热功能梯度材料各层中Ni、 Zr和0元素含量。
表l
下表为能谱测试所获隔热功能梯度材料各层元素含量
表功能梯度材料各层中Ni、 Zr和O的含量
位置N'i的含量(wt%)Zr的含量(wt%)O的含量(wt%)
A层23.0355.5221.45
B层28.1252.4319.45
c层37.3845.4917.13
ZKU乍为隔热材料，不仅因为其有良好的隔热性能，而且其他一些性能(如热膨胀系数 等)与金属材料相似，便于与金属材料混合烧结制备成复合材料；Ni具有很高的熔点，易 同陶瓷材料复合烧结。本功能梯度材料与以往的功能梯度材料相比，陶瓷相中由于稳定剂的 存在可防止材料在升温一烧结一降温过程中Zr02发生相变，即从原始的立方相变成四方相或 斜方相等。从对实验结果的观察可以看出，正因为陶瓷相材料未发生相变，从而避免了Zr02 陶瓷材料在温度剧烈变化的烧结过程中，发生开裂和剥落这样一些不利的现象。烧结的成品率达100% 。此外，Zr02纳米粉体可利用纳米尺度共格界面既提高材料的强度又不降低韧性。
通过实验得知Ni—Zr02复合隔热材料中当Zr02的重量比达60%以上时，其隔热效果就基 本上与纯Zr02陶瓷材料的隔热效果相同，而此时材料中有金属Ni作为增韧相存在，从而提 高了隔热材料的韧性，所以本发明的隔热功能梯度材料一方面具有很好的隔热性能，另一方 面隔热功能梯度材料中又含有金属增韧相，这样使得本发明隔热材料与以往的隔热材料相 比，其脆性大大降低，强度等机械性能可进一步得到提高，故本发明的隔热材料在热冲击和 其他机械冲击的作用下不易发生断裂和折断，从而提高了隔热功能梯度材料的使用寿命，本 发明隔热材料的这一特性在内燃机燃烧室的隔热材料选择应用中是非常重要的，因为内燃机 燃烧室中多为热冲击载荷。本陶瓷相和金属相的膨胀性能相近，所以陶瓷与金属之间烧结复 合性能很好，微裂纹少，其机械强度较高，且层与层之间，材料配比过渡较平缓，故应力集 中小，可以作为良好的隔热材料，运用于内燃机等工业产品中。此外与范秋林制备的Ni— Zr02精细功能梯度材料相比，本发明所制备的功能梯度材料在烧结制备的过程中，采用的是 气氛保护的普通烧结法(即常压烧结法)，保护气氛为氩(Ar)气，所采用的烧结设备为氩 气气氛保护的普通管式烧结炉，烧结的温度场为均匀温度场，因而无需使用特别高级的烧结 设备，故用于本发明的制备设备成本较低。另外，与等离子喷涂这种制备方法(Y.P. Wan. An advanced model for plasma spraying of functionally graded materials. Journal of Materials Processing Technology. 2003， 137: 110-116)相比，用烧结这种方法制备的功能梯度材料可 以获得较大的厚度。此外，与其他烧结方法(J丄.Cui.Optimization of p-type segmented FeSi2/Bi2Te3 thermoelectric material prepared by spark plasma sintering. Materials Letters.2003 ， 57: 4074-4078)及喷涂方法相比，本发明在制备功能梯度材料的过程中，不需要很高级的 设备，并且整个制备过程的成本很低，制备工艺较简单，适于推广使用和大批量生产。具体实施例方式
原料Ni粉纯度95%，细度过200目筛。
原料Zr02纳米粉体，颗径10nm 。
稳定剂丫203纯度98%以上、细度约为20nm。
压片机一台。
氩(Ar)气气氛管式烧结炉一台。
1、 陶瓷相的制备
称取Zr02ll.3g、 Y2031.8g，于研钵中研磨混合均匀构成陶瓷相Zr02，备用。
2、 Ni—Zr02隔热功能梯度材料的制备。(1) 制作三层功能梯度材料，各层重量配比分别为20°/。Ni-80%Zr02; 40%Ni-60%Zr(Utl 60%Ni-40%Zr02，每层重为1. 5g。首先于研钵中各自研磨混合均匀得到混合料，然后分别将 20。/。Ni-80。/。ZrO2、40。/。Ni-60。/。ZrO2及6(mNi-40。/。Zr02的金属-陶瓷混合料在模具中逐层铺叠压紧， 再置于压片机上以50MPa的压强压制成三层功能梯度材料生坯试件，试件尺寸为cH8X3 4，最后对生坯进行烧结，烧结温度为1300'C，保温时间为1.5小时，随炉冷却，取出样品。
(2) 制作三层功能梯度材料，各层重量配比分别为100%Zr02; 10°/。Ni-90% Zr02; 20%Ni_80% Zr02，每层重为1.5g。首先于研钵中各自研磨混合均匀得到混合料，然后分别将100%ZrO2、 1(WNi-90y。Zr02及20%Ni-80%Zr02的金属-陶瓷混合料在模具中逐层铺叠压紧，再置于压片机 上以35MPa的压强压制成三层功能梯度材料生坯试件，试件尺寸为4>18X3 4，最后对生 坯进行烧结，烧结温度为140(TC，保温时间为1.5小时，随炉冷却，取出样品。
(3) 制作三层功能梯度材料，各层重量配比分别为100%Zr02; 15%Ni-85%Zr02; 20%Ni-80% Zr02，每层重为1. 5g。首先于研钵中各自走研磨混合均匀得到混合料，然后分别将100%ZrO2、 15义Ni-85。/。Zr02及20%Ni_80%Zr02的金属-陶瓷混合料在模具中逐层铺叠压紧，再置于压片机 上以35MPa的压强压制成三层功能梯度材料生坯试件，试件尺寸为d)18X3 4，最后对生 坯样品进行烧结，烧结温度为1450'C，保温时间为1.5小时，随炉冷却，取出样品。
权利要求
1、一种隔热功能梯度材料，是Ni-ZrO2系隔热功能材料，其特征在于由金属相Ni和陶瓷相ZrO2构成的不同含量的三层混合料经压制、烧结得到的隔热功能梯度材料，在每层中金属相Ni和陶瓷相ZrO2的重量百分含量的变化范围是Ni0～60％、ZrO240～100％；所述的陶瓷相是纳米ZrO2，其中含有摩尔百分含量为6～10％的三氧化二钇。
2、 根据权利要求1所述的隔热功能梯度材料，其特征在于在每层中金属相Ni和陶瓷 相Zr02的重量百分含量的变化范围是Ni: 20 60%、 Zr02: 40 80% 。
3、 根据权利要求1或2所述的隔热功能梯度材料，其特征在于在陶瓷相纳米Zr02中含 摩尔百分含量为8%的三氧化二钇。
4、 由权利要求l所述的隔热功能梯度材料的制备方法，包括原料的混合、压制、烧结和 冷却，其特征在于所述的混合是ZrU和Y203均匀混合构成陶瓷相，然后由陶瓷相Zr02和 金属相Ni均匀混合三层所需的混合料；所述的压制时将三层混合料逐层铺叠在模具中由压 片机于35 50MPa下压制成生坯；所述的烧结是将生坯置于烧结炉中在惰性气氛保护下、 1300 1500。C烧结1 2小时。
5、 根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于所述的惰性气氛是氩气气氛。
全文摘要
一种隔热功能梯度材料，由金属相Ni和陶瓷相ZrO<sub>2</sub>构成的不同含量的三层混合料经压制、烧结得到的隔热功能梯度材料，在每层中Ni和ZrO<sub>2</sub>的重量百分含量的变化范围是Ni0～60％、ZrO<sub>2</sub>40～100％；所述的陶瓷相是纳米ZrO<sub>2</sub>并含有摩尔百分含量为6～10％的Y<sub>2</sub>O<sub>3</sub>。其制备方法是三层混合料逐层铺叠后于35～50MPa下压制成生坯，生坯在惰性气氛下于1300～1500℃烧结1～2小时。本材料可应用于内燃机作为隔热材料。
文档编号C22C1/05GK101565791SQ20091011701
公开日2009年10月28日 申请日期2009年6月5日 优先权日2009年6月5日
发明者冯忆艰, 徐玉福, 杜双松, 程继贵, 胡献国 申请人:合肥工业大学