本发明属无机非金属材料，具体涉及一种高抗热震性氧化锆复合陶瓷材料及其制备方法。氧化锆基复合陶瓷具有良好的高温稳定性以及优异的抗热震性能。
背景技术：
1、随着航空发动机朝着高推重比、轻量化和高效化的不断发展，对其涡轮叶片、喷管、燃烧室内衬等热端结构件的性能提出了更高要求。陶瓷基复合材料具有低密度、耐高温和高强度等优点，有望成为航空发动机战略性热结构材料。目前，陶瓷基复合材料的种类较多，其中氧化锆基陶瓷材料因其良好的抗氧化性、耐腐蚀性和力学性能等，已广泛应用于结构和功能陶瓷领域。然而，在高温的服役环境下，其较高的热膨胀系数和较低的热导率导致其抗热震性能较差。因此，提高氧化锆基陶瓷材料的抗热震性能，满足其高温服役要求成为目前研究的重点。
2、陶瓷材料的抗热震性能是其热学和力学性能的综合体现。然而在热冲击过程中，纯氧化锆陶瓷易发生相变并产生一定的相变应力。在反复长期使用时，累积的相变应力会使氧化锆陶瓷内部产生裂纹，限制其在高温环境下的应用。目前，通常采用添加多组分稀土稳定剂(如y2o3、yb2o3、sc2o3、gd2o3、ceo2)的方法来调控其相变过程，提高其在热震过程中的稳定性。中国专利cn 101148355a公开了一种高抗热震性的部分稳定氧化锆陶瓷及其制备方法，以氧化钇或氧化镁为稳定剂，并与氧化锆机械混合，通过高温烧结制备出了四方相分布均匀，抗热震性能良好的氧化锆陶瓷。虽然上述稀土添加剂可以有效提升氧化锆基陶瓷的热稳定性，但对于陶瓷样品抗热震性能的提升依然有局限性。众多研究发现，在陶瓷中添加具有较低热膨胀系数和较高热导率的第二相(如sic晶须、al2tio5、zrb2以及莫来石等，在补强增韧的同时，可以进一步提高陶瓷的抗热震性能。中国专利cn 106045504 a提出一种利用石墨烯增强氧化锆陶瓷抗热震性能的制备方法，所制备的氧化锆陶瓷不仅具有良好的力学性能，还具有良好的抗热震性。因此，通过稀土以及第二相掺杂可以有效提升氧化锆陶瓷的抗热震性能，提升氧化锆陶瓷在高温环境下应用的可能性。稀土和第二相共掺的难点在于添加剂在氧化锆基体中的分布问题，本申请通过共沉淀法制备粉体可以获得分散性良好的氧化锆陶瓷粉体。
技术实现思路
1、针对氧化锆陶瓷的脆性以及高温服役条件下抗热震性能较差等问题，本发明目的在于提供一种通过多元稀土元素与第二相共掺来提高氧化锆基复合陶瓷抗热震性能的方法，该方法以共沉淀法制备氧化锆基复合粉体，干压成型并高温烧结后，获得氧化锆基复合陶瓷。这种复合陶瓷材料不仅具有较高的强度和断裂韧性，还具有较好的抗热震性能。本申请中的多元指的是所添加的稀土元素种类为2种以上，至少有氧化钇和氧化铈。本申请在钇和铈的基础上还添加了一种稀土元素，因此写作“多元”。在本申请中，稀土主要用作稳定剂，避免氧化锆在热震过程中产生大量的相变，在陶瓷内滋生裂纹。而第二相的作用在于促进陶瓷烧结，提高氧化锆陶瓷的致密性以及力学性能，包括强度和韧性，同时降低氧化锆陶瓷的热膨胀系数，增大热震诱发裂纹扩展的阻力，从而提升氧化锆陶瓷的抗热震性能。创新点是同时添加多元稀土和第二相以提升氧化锆陶瓷的抗热震性能。本发明通过设计不同种类稀土稳定剂的搭配，并改变第二相的含量，控制氧化锆基陶瓷的相组成，提高材料的强度和断裂韧性，降低热膨胀系数，最终使氧化锆基复合陶瓷具有良好的抗热震性能。
2、为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
3、高抗热震性氧化锆复合陶瓷材料，其特征在于，所述陶瓷材料包括以下组分：锆盐、稀土盐、第二相，其中：锆盐与稀土盐的摩尔比为87:13-90:10；(锆盐+稀土盐):第二相的重量比＝96:4-95:5。所述稀土盐至少有氯化钇和氯化铈，所述稀土盐中还包括氯化镱、氯化镧、氯化钪、氧化钆、硝酸钇中的一种或多种混合。
4、所述第二相为堇青石、莫来石、钛酸铝、氧化铝晶须中的一种，优选为莫来石。本申请中第二相只选择一种，第二相添加过多可能会引起与基体材料的有害反应，因此只选择其中一种。
5、上述的高抗热震性氧化锆复合陶瓷材料的制备方法，所述制备方法的步骤是：
6、(1)粉体制备：将锆盐、稀土盐、第二相按比例溶解于去离子水中，并加入相对于粉体质量1-2.5wt.％的分散剂得到混合浆料，所述混合浆料中zr4+浓度为0.5-1mol/l；随后，磁力搅拌30min使原料充分溶解，缓慢滴入沉淀剂并不停搅拌调节溶液ph至9～13，并将其静置陈化8～24h、利用去离子水和无水乙醇反复交替洗涤、经80℃干燥8～20h并研磨过200目筛后，于600～900℃煅烧2～4h获得氧化锆基陶瓷粉体；
7、(2)成型坯体：将氧化锆基陶瓷粉体进行造粒处理，然后在15～30mpa单轴压力下，保压2～5min后成型出圆柱形或长方体型的复合陶瓷坯体；
8、(3)高温烧结：将所述复合陶瓷坯体于1200～1500℃高温烧结2～6h后，获得高抗热震性氧化锆复合陶瓷材料。
9、所述沉淀剂为氢氧化钠溶液或氨水；
10、所述分散剂为聚乙烯吡咯烷酮(pvp-k30)、羟丙基纤维素和聚乙二醇中的一种。
11、制备的高抗热震性氧化锆复合陶瓷材料的热膨胀系数(40～1000℃)为9.07～9.37×10-6k-1，断裂韧性为8.98～9.26mpa·m0.5，经1300℃热震循环测试后，陶瓷的强度保持率为26.71～62.37％。
12、与现有技术相比，本发明的有益效果是：
13、本发明制备的稀土稳定氧化锆/莫来石复合陶瓷材料热膨胀系数(40～1000℃)为9.07～9.37×10-6k-1，断裂韧性为8.98～9.26mpa·m0.5，经1300℃热震循环测试后，陶瓷的强度保持率为26.71～62.37％。本发明所制备的氧化锆复合陶瓷材料与现有技术和材料性能相比，其制备过程易于操作，成本低；陶瓷的热膨胀系数低，断裂韧性高，从而表现出良好的抗热震损伤能力，本发明所制备的氧化锆复合陶瓷经热震测试后的强度保持率为普通氧化锆陶瓷的2～3倍，对于其他单独加稀土或第二相的陶瓷，本方法所制备的陶瓷经热震测试后具有较高的强度保持率。因此具有良好的抗热震性能。本发明所制备的陶瓷可被广泛应用于高温结构陶瓷领域。
1.一种高抗热震性氧化锆复合陶瓷材料，其特征在于，所述陶瓷材料包括以下组分：锆盐、稀土盐、第二相，其中：锆盐与稀土盐的摩尔比为87:13-90:10；(锆盐+稀土盐):第二相的重量比＝96:4-95:5；所述稀土盐至少有氯化钇和氯化铈，所述稀土盐中还包括氯化镱、氯化镧、氯化钪、氧化钆、硝酸钇中的一种或多种混合。
2.根据权利要求1所述的高抗热震性氧化锆复合陶瓷材料，其特征在于，所述第二相为堇青石、莫来石、钛酸铝、氧化铝晶须中的一种，优选为莫来石。
3.一种权利要求1所述的高抗热震性氧化锆复合陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法的步骤是：
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述沉淀剂为氢氧化钠溶液或氨水；
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，制备的高抗热震性氧化锆复合陶瓷材料的热膨胀系数(40～1000℃)为9.07～9.37×10-6k-1，断裂韧性为8.98～9.26mpa·m0.5，经1300℃热震循环测试后，陶瓷的强度保持率为26.71～62.37％。