一种铈钙双元素共掺杂锆酸镧纳米陶瓷粉体及其制备方法与流程

本发明涉及无机非金属材料制备与应用领域，尤其涉及一种铈钙双元素共掺杂锆酸镧纳米陶瓷粉体及其制备方法。

背景技术：

锆酸镧材料具有独特的晶体结构，其化学稳定性好、热导率低，是一种重要的结构和功能陶瓷。铈掺杂锆酸镧材料具有熔点高、热导率小、热膨胀系数大、化学稳定性好和高温下无相变的特点，是高温热障涂层材料的重要候选材料。同时，锆酸镧材料虽然具有优异的热力学性能，但其热膨胀系数较小(25℃～1200℃约9.7×10^-6k^-1)，因此其在用作热障涂层材料时，存在与基体材料不匹配的问题。ceo2固有的热膨胀系数较高，此外，ce⁴⁺和zr⁴⁺的离子半径及相对原子质量相差明显。ce⁴⁺取代la2zr2o7中的zr⁴⁺可能有利于改善材料的热物理性能。

y.f.wang等人研究了la2(zr0.7ce0.3)2o7的热物理性能的影响因素。研究结果表明，ceo2的掺入明显降低了la2zr2o7的热导率，同时热导率随温度变化的幅度较平缓。掺杂元素与相应基体元素的离子半径差异要比质量差异更有效地影响点缺陷声子散射，从而也影响热导率随温度变化的趋势。此外，掺入较大质量的元素，尤其是尺寸较大的元素可以有效降低材料的理论最低热导率。

另一种有效的掺杂方式是用二价金属元素(mg、ca、sr等)，能更大程度上扭曲晶格，增加氧空位浓度，增强声子散射作用，降低材料的热导率。h.s.zhang等人研究了sr、ca、mg掺杂la2ce2o7对其热导率的影响。结果显示，二价元素sr、ca、mg部分掺杂la位后，(la0.95m0.05)2ce2o7(m＝sr、ca、mg)的热导率较la2ce2o7有了明显的降低。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种热膨胀系数高的铈钙双元素共掺杂锆酸镧纳米陶瓷粉体，还提供了一种工艺流程少的铈钙双元素共掺杂锆酸镧纳米陶瓷粉体的制备方法。

本发明提供一种铈钙双元素共掺杂锆酸镧纳米陶瓷粉体的制备方法，包括以下步骤:

s1，配制铈盐、钙盐、锆盐和镧盐的混合溶液，将所述混合溶液与沉淀剂混合，搅拌后静置陈化，得到氢氧化物胶体；

s2,将所述氢氧化物胶体分离洗涤，得到沉淀和溶液；

s3，利用压滤机将所述沉淀压滤，得到半固态氢氧化物凝胶；

s4，将所述半固态氢氧化物凝胶与分散剂均匀混合，得到混合物；

s5，将所述混合物置于蒸馏装置中蒸馏，然后干燥，得到固体粉料；

s6，将所述固体粉料煅烧，得到铈钙双元素共掺杂锆酸镧纳米陶瓷粉体。

进一步地，步骤s1中，所述铈盐、钙盐、锆盐和镧盐的浓度为0.1～1mol/l，所述铈盐为硫酸高铈或硝酸铈，所述钙盐为硝酸钙、氯化钙或硫酸钙，所述锆盐为氯氧化锆，所述镧盐为硝酸镧或氯化镧，所述混合溶液中钙离子、铈离子、锆离子与镧离子的摩尔比为1:7:14:18～2:5:7:6。

进一步地，步骤s1中，所述沉淀剂为氨水或草酸铵，氨水的体积浓度为25％～100％。

进一步地，步骤s1中，搅拌的时间为2～4h,搅拌至所述沉淀剂中反应体系的ph值保持在10～14，静置陈化的时间为9～12h。

进一步地，步骤s2中，采用无机陶瓷膜分离技术将所述氢氧化物胶体分离洗涤，停止分离过程的判断条件为分离后得到的溶液的ph值为7且溶液与硝酸银反应不产生絮状物。

进一步地，步骤s3中，以重量百分比计，所述半固态氢氧化物凝胶的固含量为8～20％。

进一步地，步骤s4中，混合的方式为利用胶体磨处理或强力搅拌，分散剂为醇类分散剂，分散剂选用一缩二乙二醇、正丁醇、正丙醇、乙二醇、异丁醇、异丙醇或正戊醇中的任一种，所述分散剂与半固态氢氧化物凝胶的质量比为2：1～6:1。

进一步地，步骤s5中，蒸馏的具体过程为：将所述混合物置于蒸馏装置中，通过加热将蒸馏装置的温度控制在80～180℃，从而蒸馏脱除混合物中的吸附水，待吸附水完全脱除后，升高蒸馏装置的温度使分散剂蒸发，然后干燥2～8h，得到固体粉料。

进一步地，步骤s6中，将所述固体粉料在1300℃～1600℃下煅烧2～5h，得到铈钙双元素共掺杂锆酸镧纳米陶瓷粉体。

本发明还提供了一种铈钙双元素共掺杂锆酸镧纳米陶瓷粉体，利用上述制备方法获得，其结构式为(la1-2xcexcax)2(zr0.7ce0.3)2o7，式中：0.05≤x≤0.2，该纳米陶瓷粉体为烧绿石结构。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：

1.本发明提供的铈钙双元素共掺杂锆酸镧纳米陶瓷粉体为烧绿石结构，具备优异的热膨胀性能和抗烧结性能，该纳米陶瓷粉体粒径分布均匀可控、形貌规整，高温下结构稳定，与锆酸镧(热膨胀系数：25℃～1500℃达到9.37×10^-6k^-1，热导率：25℃～1450℃为1.571w·m^-1·k^-1)相比，该纳米陶瓷粉体具有更优的热膨胀系数(25℃～1500℃达到12.34×10^-6k^-1)和热导率(25℃～1450℃为1.183w·m^-1·k^-1)；

2.本发明提供的铈钙双元素共掺杂锆酸镧纳米陶瓷粉体在应用时能够更大限度地提高涂层使用寿命和隔热性能，适用于各种抗高温热障涂层或高温耐磨耗、耐腐蚀涂层材料的制备，能广泛应用于航空航天、燃气轮机、船舶、汽车、机械、化工等领域；

3.本发明提供的铈钙双元素共掺杂锆酸镧纳米陶瓷粉体的制备方法工艺流程少，所需设备简单，制备过程易于控制，适合大规模工业生产。

附图说明

图1是本发明的铈钙双元素共掺杂锆酸镧纳米陶瓷粉体的制备方法的一示意图。

图2是本发明的铈钙双元素共掺杂锆酸镧纳米陶瓷粉体制备方法中实施例1得到的纳米陶瓷粉体的x射线粉晶衍射图谱。

图3是本发明的铈钙双元素共掺杂锆酸镧纳米陶瓷粉体制备方法中实施例2得到的纳米陶瓷粉体的x射线粉晶衍射图谱。

图4是本发明的铈钙双元素共掺杂锆酸镧纳米陶瓷粉体制备方法中实施例3得到的纳米陶瓷粉体的x射线粉晶衍射图谱。

图5是本发明的铈钙双元素共掺杂锆酸镧纳米陶瓷粉体制备方法中实施例4得到的纳米陶瓷粉体的x射线粉晶衍射图谱。

图6是本发明的铈钙双元素共掺杂锆酸镧纳米陶瓷粉体制备方法中实施例4得到的纳米陶瓷粉体的热膨胀系数随温度变化的曲线。

图7是本发明的铈钙双元素共掺杂锆酸镧纳米陶瓷粉体制备方法中实施例4得到的纳米陶瓷粉体的热导率随温度变化的曲线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图和实施例对本发明实施方式作进一步地描述。

请参考图1，本发明的实施例提供了一种铈钙双元素共掺杂锆酸镧纳米陶瓷粉体的制备方法，包括以下步骤：

s1，将浓度为0.1～1mol/l的铈盐、钙盐、锆盐和镧盐混合，配制成混合溶液，利用反向滴定法将混合溶液加入到沉淀剂中，搅拌后静置陈化，得到氢氧化物胶体。

步骤s1中，铈盐为硫酸高铈或硝酸铈，钙盐为硝酸钙、氯化钙或硫酸钙，锆盐为氯氧化锆，镧盐为硝酸镧或氯化镧，混合溶液中钙离子、铈离子、锆离子与镧离子的摩尔比为1:7:14:18～2:5:7:6，沉淀剂为氨水或草酸铵，氨水的体积浓度为25％～100％，搅拌的时间为2～4h,搅拌至沉淀剂中反应体系的ph值保持在10～14，静置陈化的时间为9～12h。

s2,采用无机陶瓷膜分离技术将步骤s1中得到的氢氧化物胶体分离洗涤，得到沉淀和溶液；无机陶瓷膜分离技术是利用膜的选择性分离以实现料液的不同组分的分离、纯化和浓缩的一种技术，其具有能在常温下进行、无相态变化、无化学变化、选择性好、适应性强和能耗低的优点。

步骤s2中，分离的作用是去除氢氧化物胶体中的杂质离子，停止分离过程的判断条件为分离后得到的溶液的ph值为7且溶液与硝酸银反应不产生絮状物。

s3，利用压滤机将沉淀压滤，得到半固态氢氧化物凝胶；以重量百分比计，半固态氢氧化物凝胶的固含量为8～20％。

s4，将步骤s3中得到的半固态氢氧化物凝胶与分散剂均匀混合，得到混合物。

步骤s4中，混合的方式为利用胶体磨处理或强力搅拌，分散剂为醇类分散剂，分散剂选用一缩二乙二醇、正丁醇、正丙醇、乙二醇、异丁醇、异丙醇或正戊醇中的任一种，分散剂与半固态氢氧化物凝胶的质量比为2：1～6:1。

s5，将步骤s4中得到的混合物置于蒸馏装置中蒸馏，然后干燥，得到固体粉料。

具体地，步骤s5中，将混合物置于蒸馏装置中，通过加热将蒸馏装置的温度控制在80～180℃，从而蒸馏脱除混合物中的吸附水，待吸附水完全脱除后，升高蒸馏装置的温度使分散剂蒸发，然后干燥2～8h，得到固体粉料，干燥过程中不断搅拌，使得到的固体粉料均匀干燥。

s6，将固体粉料煅烧，通过控制煅烧的温度可以得到不同粒度的铈钙双元素共掺杂锆酸镧纳米陶瓷粉体。

具体地，步骤s6中，将固体粉料在1300℃～1600℃下煅烧2～5h，得到铈钙双元素共掺杂锆酸镧纳米陶瓷粉体。

本发明还提供了一种铈钙双元素共掺杂锆酸镧纳米陶瓷粉体，利用上述制备方法获得，该纳米陶瓷粉体为烧绿石结构，该纳米陶瓷粉体的结构式为：(la1-2xcexcax)2(zr0.7ce0.3)2o7，式中：0.05≤x≤0.2。

下面给出本发明的铈钙双元素共掺杂锆酸镧纳米陶瓷粉体的制备方法的几个实施例，结合该实施例对上述制备方法进行举例说明。

实施例1：

将浓度为0.2mol/l的硝酸铈溶液、浓度为0.356mol/l的氯氧化锆溶液、浓度为0.5mol/l的硝酸钙溶液以及浓度为0.5mol/l的硝酸镧溶液混合，配制成钙离子、铈离子、锆离子与镧离子的摩尔比为1:7:14:18的混合溶液，利用反向滴定法将混合溶液加入到体积浓度为40％的氨水中，搅拌至氨水中反应体系的ph值达到10，静置陈化12h,得到氢氧化物胶体；采用无机陶瓷膜分离技术将氢氧化物胶体分离洗涤，得到沉淀和溶液，测量溶液的ph值，若溶液的ph值大于7，则继续分离直至溶液的ph值为7且溶液与硝酸银反应不产生絮状物；利用压滤机将分离后得到的沉淀压滤，得到半固态氢氧化物凝胶；利用胶体磨将正丁醇与半固态氢氧化物凝胶按质量比为2:1混合均匀，得到混合物；将混合物置于蒸馏装置中,通过加热将蒸馏装置中的温度控制在150℃，待混合物中的吸附水完全脱除后，升高蒸馏装置的温度使正丁醇蒸发，然后干燥2h，得到固体粉料；将固体粉料在1350℃下煅烧4h，得到铈钙双元素共掺杂锆酸镧纳米陶瓷粉体。

将利用实施例1制备得到的铈钙双元素共掺杂锆酸镧纳米陶瓷粉体进行x射线衍射(x-raydiffraction,xrd)测试，图2为利用实施例1得到的铈钙双元素共掺杂锆酸镧纳米陶瓷粉体的x射线粉晶衍射图谱，由图2可以分析出得到的纳米陶瓷粉体为烧绿石结构。

实施例2：

将浓度为0.15mol/l的硝酸铈溶液、浓度为0.45mol/l的氯氧化锆溶液、浓度为0.6mol/l的硝酸钙溶液以及浓度为0.65mol/l的硝酸镧溶液混合，配制成钙离子、铈离子、锆离子与镧离子的摩尔比为1:4:7:8的混合溶液，利用反向滴定法将混合溶液加入到体积浓度为30％的氨水中，搅拌至氨水中反应体系的ph值达到11，静置陈化11h,得到氢氧化物胶体；采用无机陶瓷膜分离技术将氢氧化物胶体分离洗涤，得到沉淀和溶液，测量溶液的ph值，若溶液的ph值大于7，则继续分离直至溶液的ph值为7且溶液与硝酸银反应不产生絮状物；利用压滤机将分离后得到的沉淀压滤，得到半固态氢氧化物凝胶；利用胶体磨将一缩二乙二醇与半固态氢氧化物凝胶按质量比为5:2混合均匀，得到混合物；将混合物置于蒸馏装置中,通过加热将蒸馏装置中的温度控制在135℃，待混合物中的吸附水完全脱除后，升高蒸馏装置的温度使一缩二乙二醇蒸发，然后干燥4h，得到固体粉料；将固体粉料在1350℃下煅烧3h，得到铈钙双元素共掺杂锆酸镧纳米陶瓷粉体。

将利用实施例2制备得到的铈钙双元素共掺杂锆酸镧纳米陶瓷粉体进行xrd测试，图3为利用实施例2得到的铈钙双元素共掺杂锆酸镧纳米陶瓷粉体的x射线粉晶衍射图谱，由图3可以分析出得到的纳米陶瓷粉体为烧绿石结构。

实施例3：

将浓度为0.35mol/l的硝酸铈溶液、浓度为0.65mol/l的氯氧化锆溶液、浓度为0.8mol/l的硝酸钙溶液以及浓度为0.85mol/l的硝酸镧溶液混合，配制成钙离子、铈离子、锆离子与镧离子的摩尔比为3:9:14:14的混合溶液，利用反向滴定法将混合溶液加入到体积浓度为30％的氨水中，搅拌至氨水中反应体系的ph值达到12，静置陈化10h,得到氢氧化物胶体；采用无机陶瓷膜分离技术将氢氧化物胶体分离洗涤，得到沉淀和溶液，测量溶液的ph值，若溶液的ph值大于7，则继续分离直至溶液的ph值为7且溶液与硝酸银反应不产生絮状物；利用压滤机将分离后得到的沉淀压滤，得到半固态氢氧化物凝胶；利用胶体磨将乙二醇与半固态氢氧化物凝胶按质量比为5:2混合均匀，得到混合物；将混合物置于蒸馏装置中,通过加热将蒸馏装置中的温度控制在135℃，待混合物中的吸附水完全脱除后，升高蒸馏装置的温度使乙二醇蒸发，然后干燥3h，得到固体粉料；将固体粉料在1450℃下煅烧2.5h，得到铈钙双元素共掺杂锆酸镧纳米陶瓷粉体。

将利用实施例3制备得到的铈钙双元素共掺杂锆酸镧纳米陶瓷粉体进行xrd测试，图4为利用实施例3得到的铈钙双元素共掺杂锆酸镧纳米陶瓷粉体的x射线粉晶衍射图谱，由图4可以分析出得到的纳米陶瓷粉体为烧绿石结构。

实施例4：

将浓度为0.2mol/l的硝酸铈溶液、浓度为1.0mol/l的氯氧化锆溶液、浓度为0.5mol/l的硝酸钙溶液以及浓度为0.75mol/l的硝酸镧溶液混合，配制成钙离子、铈离子、锆离子与镧离子的摩尔比为2:5:7:6的混合溶液，利用反向滴定法将混合溶液加入到体积浓度为30％的氨水中，搅拌至氨水中反应体系的ph值达到14，静置陈化9h,得到氢氧化物胶体；采用无机陶瓷膜分离技术将氢氧化物胶体分离洗涤，得到沉淀和溶液，测量溶液的ph值，若溶液的ph值大于7，则继续分离直至溶液的ph值为7且溶液与硝酸银反应不产生絮状物；利用压滤机将分离后得到的沉淀压滤，得到半固态氢氧化物凝胶；利用胶体磨将异丁醇与半固态氢氧化物凝胶按质量比为5:2混合均匀，得到混合物；将混合物置于蒸馏装置中,通过加热将蒸馏装置中的温度控制在150℃，待混合物中的吸附水完全脱除后，升高蒸馏装置的温度使异丁醇蒸发，然后干燥5h，得到固体粉料；将固体粉料在1500℃下煅烧4h，得到铈钙双元素共掺杂锆酸镧纳米陶瓷粉体。

将利用实施例4制备得到的铈钙双元素共掺杂锆酸镧纳米陶瓷粉体进行xrd测试、半导体致冷器(thermoelectriccooler,tec)测试和热导率测试，图5为利用实施例4得到的铈钙双元素共掺杂锆酸镧纳米陶瓷粉体的x射线粉晶衍射图谱，图6为利用实施例4得到的铈钙双元素共掺杂锆酸镧纳米陶瓷粉体的热膨胀系数随温度变化的曲线，图7为利用实施例4得到的铈钙双元素共掺杂锆酸镧纳米陶瓷粉体的热导率随温度变化的曲线，由图5可以分析出得到的纳米陶瓷粉体为烧绿石结构，从图6可以看出，铈钙双元素共掺杂锆酸镧纳米陶瓷粉体的热膨胀系数(25℃～1500℃)达到12.34×10^-6k^-1，从图7可以看出，铈钙双元素共掺杂锆酸镧纳米陶瓷粉体的热导率(25℃～1450℃)为1.183w·m^-1·k^-1。

本发明提供的铈钙双元素共掺杂锆酸镧纳米陶瓷粉体为烧绿石结构，具备优异的热膨胀性能和抗烧结性能，该纳米陶瓷粉体粒径分布均匀可控、形貌规整，高温下结构稳定，与锆酸镧(热膨胀系数：25℃～1500℃达到9.37×10^-6k^-1，热导率：25℃～1450℃为1.571w·m^-1·k^-1)相比，该纳米陶瓷粉体具有更优的热膨胀系数(25℃～1500℃达到12.34×10^-6k^-1)和热导率(25℃～1450℃为1.183w·m^-1·k^-1)；本发明提供的铈钙双元素共掺杂锆酸镧纳米陶瓷粉体在应用时能够更大限度地提高涂层使用寿命和隔热性能，适用于各种抗高温热障涂层或高温耐磨耗、耐腐蚀涂层材料的制备，能广泛应用于航空航天、燃气轮机、船舶、汽车、机械、化工等领域；本发明提供的铈钙双元素共掺杂锆酸镧纳米陶瓷粉体的制备方法工艺流程少，所需设备简单，制备过程易于控制，适合大规模工业生产。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。