一种超低温烧结制备纳米晶A4B2O9型钽酸盐陶瓷及其方法

本发明属于热障涂层材料
技术领域：
，具体涉及一种超低温烧结制备纳米晶a4b2o9型钽酸盐陶瓷及其方法。
背景技术：
：近年来，热障涂层和环境障涂层材料快速发展，使得不同类型晶体结构的氧化物陶瓷不断被开发和应用。其中稀土钽酸盐(retao4、re3tao7和reta3o9)由于具有优异的热-力学性质(低热导率、高热膨胀系数、高断裂韧性、低模量、高温稳定性和抗腐蚀等)，而被不断的研究和应用。但是稀土钽酸盐的主要原料为稀土元素，稀土元素作为我国战略资源被进行保护，使得其开采量较小，因此稀土元素的价格非常高，导致稀土钽酸盐的造价较高。为了降低热障涂层和环境障涂层材料的造价，发明人对热障涂层和环境障涂层材料进行了研究，形成了一种a4b2o9型钽酸盐陶瓷。技术实现要素：本发明意在提供一种超低温烧结制备纳米晶a4b2o9型钽酸盐陶瓷及其方法，以解决现有的热障涂层和环境障涂层材料的造价较高的问题。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案，一种超低温烧结制备的纳米晶a4b2o9型钽酸盐陶瓷，该陶瓷的结构式为a4b2o9，其中a为ni、co、mg、ca、sr、ba或zn中的一种或多种，b为ta。本技术方案提供的a4b2o9型钽酸盐陶瓷具有致密度高、纯度高和纳米晶的特性，而且陶瓷材料的硬度、断裂韧性和模量非常高，能调控陶瓷材料热物理性能，使得a4b2o9型钽酸盐陶瓷能够作为热障涂层和环境障涂层使用；而且a4b2o9型钽酸盐陶瓷中不含有稀土元素，因此造价相对较低。本发明还提供了另一基础方案，一种超低温烧结制备纳米晶a4b2o9型钽酸盐陶瓷的方法，包括以下步骤：步骤一，将a(oh)2、aco3、草酸钽分别在350-900℃下保温1-2h进行热分解，得到具有高度反应活性的ao和ta2o5粉末；步骤二，将ao和ta2o5粉末进行研磨，得到纳米级的高度反应活性粉末混合物；步骤三，将高度反应活性粉末混合物进行放电等离子烧结，制备出块状的a4b2o9型钽酸盐陶瓷。本技术方案的有益效果：1、本技术方案制备出的块状的a4b2o9型钽酸盐陶瓷，其纯度大于99％、致密度大于98％、平均晶粒尺寸小于300nm，由于a4b2o9型钽酸盐陶瓷具有细小且均匀的纳米晶，能够有效散射声子，降低材料热导率，从而提高其隔热防护能力；而高致密度、高纯度和纳米晶可以提高制备的a4b2o9型钽酸盐陶瓷的硬度、断裂韧性和模量，使得a4b2o9型钽酸盐陶瓷具有较好的热物理性质；2、本技术方案通过对原料进行热分解，形成具有的高度反应活性的粉末，能够使得烧结时氧化物间反应所需的温度降低、时间缩短，能够节约能源，提高效率；并且，还能避免普通的烧结方法产生过烧和晶粒过度长大的问题，进而避免产生的陶瓷块体中孔隙率高、材料热-力学性质差的问题出现。进一步，步骤二中，研磨时，加入浓度为99.99％的酒精，粉末和酒精的质量比为1:6-10。有益效果：能够使得粉体保持湿润，方便研磨。进一步，步骤二中，研磨的转速的2200-3000rpm，研磨时间为12-20h。有益效果：通过对转速和研磨时间进行控制，能够得到符合需求的纳米级的粉末。进一步，步骤二中，研磨后，将粉体取出，在65-80℃下保温6-10h。有益效果：研磨后对粉体进行保温处理，实现粉末中夹杂的酒精挥发，对粉末进行干燥。进一步，步骤三中，烧结温度为620-700℃、保温时间为6-10min、保温压力为100-300mpa。有益效果：通过对烧结温度、保温时间和保温压力进行控制，能够实现将粉末烧结成块状的a4b2o9型钽酸盐陶瓷；同时，烧结的温度低，能够防止过烧和晶粒过度长大的现象发生，有利于纳米晶的形成和保持，并且能耗低；并且时间成本也较低。进一步，步骤三中，烧结前，先对模具进行喷涂bn处理。有益效果：在烧结前喷涂bn，能够防止烧结模具中的碳渗透到粉末内部，从而能够保证制备的块状的a4b2o9型钽酸盐陶瓷的纯度高。同时还避免了烧结后的退火除碳过程，而退火除碳会在块体中引入气孔和裂纹从而降低材料致密度，因此本技术方案能够确保制备的块状的a4b2o9型钽酸盐陶瓷的致密度高。进一步，将步骤二中的高度反应活性粉末混合物在700℃下烧结保温1-5h，并冷却，再通过喷雾造粒的方式制备出a4b2o9型钽酸盐球形粉体。有益效果：由于粉末具有高度反应活性，因此烧结所需的能量较低，能够在较低温度下完成烧结，减少能源的消耗；同时，还能抑制粉末之间的团聚现象，使得制备的a4b2o9型钽酸盐球形粉体无需研磨过筛便能作为大气等离子喷涂原料进行涂层的制备。附图/表说明图1为本发明实施例1的xrd衍射图与标准卡片对比图；图2为本发明实施例1提供的ca4ta2o9块体陶瓷的表面微观形貌图；图3为本发明实施例8提供的ca2mg2ta2o9的热导率随温度变化示意图。具体实施方式下面通过具体实施方式进一步详细说明：一种超低温烧结制备的纳米晶a4b2o9型钽酸盐陶瓷，该陶瓷的结构式为a4b2o9，其中a为ni、co、mg、ca、sr、ba或zn中的一种或多种，b为ta。该陶瓷的纯度大于99％、致密度大于98％、平均晶粒尺寸小于300nm。实施例1：一种超低温烧结制备的纳米晶a4b2o9型钽酸盐陶瓷，该陶瓷的结构式为ca4ta2o9，其制备方法，包括以下步骤：步骤一，将ca(oh)2、caco3、草酸坦分别在350-900℃下保温1-2h，在保温过程中，原料进行热分解，得到具有高度反应活性的cao和ta2o5粉末。本实施例中保温温度优选900℃，保温时间优选1h。步骤二，按照ca4ta2o9的结构式称取高度反应活性的cao和ta2o5粉末，并将具有高度反应活性的cao和ta2o5粉末投放至高能球磨机内，再向高能球磨机内投放浓度为99.99％的酒精，粉末与酒精的重量比为1:6-10，按照2200-3000rpm的转速对cao和ta2o5粉末进行研磨，研磨12-20h后，将粉体取出，并在65-80℃下保温6-10h，得到纳米级的高度反应活性粉末混合物。本实施例中研磨时粉末与酒精的重量比为1:8，研磨时的转速优选2200rpm，研磨时间优选16h；研磨后，保温的温度优选75℃，保温时间优选6h。步骤三，对用于烧结的石墨模具进行喷涂bn处理，再将步骤二中形成的纳米级的高度反应活性粉末混合物投放至石墨模具内进行烧结，烧结温度为620-700℃、保温时间为6-10min、保温压力为100-300mpa，得到块状的ca4ta2o9陶瓷。本实施例中烧结温度优选620℃、保温时间优选10min，保温压力优选150mpa。实施例2：实施例2与实施例1的区别在于，本实施例中的a4b2o9型钽酸盐陶瓷的结构式为ni4ta2o9，其制备方法与实施例1一致。实施例3：实施例3与实施例1的区别在于，本实施例中的a4b2o9型钽酸盐陶瓷的结构式为co4ta2o9，其制备方法与实施例1一致。实施例4：实施例4与实施例1的区别在于，本实施例中的a4b2o9型钽酸盐陶瓷的结构式为mg4ta2o9，其制备方法与实施例1一致。实施例5：实施例5与实施例1的区别在于，本实施例中的a4b2o9型钽酸盐陶瓷的结构式为sr4ta2o9，其制备方法与实施例1一致。实施例6：实施例6与实施例1的区别在于，本实施例中的a4b2o9型钽酸盐陶瓷的结构式为ba4ta2o9，其制备方法与实施例1一致。实施例7：实施例7与实施例1的区别在于，本实施例中的a4b2o9型钽酸盐陶瓷的结构式为zn4ta2o9，其制备方法与实施例1一致。实施例8：实施例8与实施例1的区别在于，本实施例中a4b2o9型钽酸盐陶瓷的结构式为ca2mg2ta2o9；其制备方法与实施例1的区别在于，步骤一中的热分解的保温温度为545℃，保温时间为2h；步骤二中研磨时的转速为2800rpm，研磨时间为20h，研磨后保温温度为80℃，保温时间为8h；步骤三中烧结的温度为650℃，保温时间为8min，保温压力为200mpa。实施例9：实施例9与实施例8的区别在于，本实施例中a4b2o9型钽酸盐陶瓷的结构式为camgznbata2o9；其制备方法与实施例1的区别在于，步骤一中热分解的保温温度为350℃，保温时间为1h；步骤二中研磨时的转速为3000rpm，研磨时间为12h，研磨后保温温度为65℃，保温时间为10h；步骤三中烧结的温度为680℃，保温时间为6min，保温压力为230mpa。实施例10：实施例10与实施例9的区别在于，本实施例中，步骤三为，将步骤二中的纳米级的高度反应活性粉末混合物投放至高温烧结炉内，并在700℃下保温烧结1-5h后将烧结后的粉末取出冷却，再利用喷雾造粒的方式制备出camgznbata2o9陶瓷粉体，制备出的陶瓷粉体呈球形，能够作为大气等离子喷涂原料进行涂层的制备，本实施例中烧结时间优选1h。粉体的纯度可以通过xrd测试得到，结果与附图1一致。实验：选取实施例1-9提供的纳米晶a4b2o9型钽酸盐陶瓷，进行如下实验：1.xrd表征采用x射线衍射仪对实施例1-实施例9制得的a4b2o9型钽酸盐陶瓷块体进行检测，其中实施例1的xrd图谱如图1所示。根据图1所示的结果，ca4ta2o9陶瓷的衍射峰与标准pdf#31-0308一一对应。2.sem表征采用扫描电镜对实施例1-实施例9制得的a4b2o9型钽酸盐陶瓷块体进行检测，其中实施例1的表面微观形貌如图2所示。根据图2可以得知，ca4ta2o9陶瓷的晶粒大小均匀，晶粒尺寸小于300nm，晶界清晰，且表面无明显气孔和裂纹存在，致密度高达99.5％。3.热导率检测将实施例1-实施例9制得的陶瓷块体打磨成φ6×1mm的圆薄片，采用激光热导仪检测其热导率，在900℃下，实施例1-实施例9的各陶瓷块体的热导率如表1所示，在室温至900℃下，实施例8提供的ca2mg2ta2o9陶瓷块体的热导率曲线如图3所示。根据图3可以得知，随着温度不断提高，陶瓷块体热导率急剧下降，600℃后下降缓慢。当温度为900℃时，ca2mg2ta2o9陶瓷块体的热导率降低至1.4w.m-1.k-1，说明其在高温环境下具有优良的隔热能力。4.致密度检测采用阿基米德排水法对实施例1-实施例9提供的陶瓷块体进行检测。实施例1-实施例9提供的a4b2o9型钽酸盐陶瓷的各实验结果如表1所示。表1结构式杨氏模量硬度热导率致密度实施例1ca4ta2o91869.22.1-5.299.5实施例2ni4ta2o91637.61.5-4.399.0实施例3co4ta2o920110.92.3-6.099.7实施例4mg4ta2o91447.11.2-3.999.6实施例5sr4ta2o91698.01.8-4.699.0实施例6ba4ta2o921012.52.5-3.999.1实施例7zn4ta2o91526.62.0-4.399.3实施例8ca2mg2ta2o91628.31.4-4.299.8实施例9camgznbata2o918010.61.3-3.799.1综上所述，本发明提供的a4b2o9型钽酸盐陶瓷的纯度大于99％、致密度大于98％、平均晶粒尺寸小于300nm，在高温下具有较低的热导率，能够作为热障涂层材料和环境障涂层材料使用。并且相比现有的稀土钽酸盐热障涂层材料，原料中未使用稀土元素，其制备成本低，更适用于使用和研究。对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术方案构思的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本专利实施的效果和专利的实用性。当前第1页12