本發(fā)明屬于高溫材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種新型耐高溫，抗氧化，抗磨損鑭系稀土鈮酸鹽陶瓷材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

熱障涂層主要應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)工業(yè)，具有良好的隔熱效果與高溫抗氧化性能，耐磨耐腐蝕性能，是目前最為先進(jìn)的高溫防護(hù)涂層之一，也是應(yīng)用前景最好的表面防護(hù)涂層之一。當(dāng)前使用的熱障涂層材料是7-8YSZ，但是存在的問(wèn)題是YSZ的使用溫度超過(guò)1200 ℃時(shí)，相穩(wěn)定性很差，易燒結(jié)，熱導(dǎo)率高，金屬基底易被氧化，導(dǎo)致涂層失效，已難以滿足渦輪進(jìn)口溫度進(jìn)一步升高的需要。所以研究和開(kāi)發(fā)使用熱學(xué)及力學(xué)性能更好的新型熱障涂層陶瓷材料是提高熱障涂層使用溫度和延長(zhǎng)其使用壽命的重要問(wèn)題。

在以往文獻(xiàn)中，對(duì)稀土鈮酸鹽的研究較多的集中在其結(jié)構(gòu)以及其熒光性質(zhì)上，杜燕燕等人用水熱方法合成了RE₃NbO₇( RE = Y， Ce， Er， Ho， Tm， Yb和 Lu， M = Ta， Nb)納米熒光粉及摻雜 Eu³⁺的 Lu₃NbO₇和Y₃TaO₇納米熒光粉。辜敏等人通過(guò)溶劑熱法制備了稀土鈮酸鹽RENbO₄(RE=Ce， Nd， Gd， Yb， Y)并對(duì)其作了相應(yīng)表征，雖然雜質(zhì)含量較少，但合成NdNbO₄有一些單斜相Nb₂O₅，可能是溶劑熱反應(yīng)過(guò)程中五氯化妮與苯甲醇生成的醇合物分解所形成的副產(chǎn)物。中國(guó)專利CN 101182206A 報(bào)道了以CaF₂為助溶劑燒結(jié)合成鈮酸釔(YNbO₄)微波介電功能陶瓷的方法，雖然工藝簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)合理，但是一次燒結(jié)會(huì)有一定的雜相，加入助溶劑CaF₂也會(huì)引入一定的雜質(zhì)，沒(méi)有經(jīng)過(guò)預(yù)燒的鈮酸釔不致密并且含有一些雜相反應(yīng)。而本發(fā)明制備的稀土鈮酸鹽高溫陶瓷主要用于熱障涂層材料，其制備方法簡(jiǎn)單，不僅純度高，制備成本低，適合批量生產(chǎn)，而且有更好的熱學(xué)性能和力學(xué)性能。本發(fā)明燒結(jié)的稀土鈮酸鹽有較低的熱擴(kuò)散率，熱導(dǎo)率并且在高溫下沒(méi)有相變，其有很好的想穩(wěn)定性，此外，其還有較低的硬度，有助于降低殘余應(yīng)力對(duì)涂層的破壞，提高涂層的容韌性和斷裂韌性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種稀土鈮酸鹽高溫陶瓷的制備方法，具體包括以下步驟：

（1）將稀土氧化物和氧化鈮混合均勻得到混合粉末A（置于行星式球磨機(jī)中球磨，球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為300 r/min～500 r/min，球磨時(shí)間為60～180 min），然后與聚乙烯醇的水凝膠混合均勻得到混合粉末B（加入聚乙烯醇的水凝膠后再繼續(xù)球磨30～60 min）；

（2）將混合粉末B干燥、過(guò)篩后置于模具內(nèi)壓實(shí)，然后進(jìn)行預(yù)燒結(jié)，將冷卻后的樣品磨碎，加入聚乙烯醇的水凝膠再次混合均勻，然后干燥、過(guò)篩，將過(guò)篩后的粉末置于模具內(nèi)壓實(shí)，然后進(jìn)行二次燒結(jié)得到稀土鈮酸鹽高溫陶瓷。

優(yōu)選的，本發(fā)明所述稀土氧化物RE₂O₃ 中RE=Y，Nd，Sm，Eu，Gd，Dy，Er，Yb；稀土氧化物RE₂O₃與Nb₂O₅的摩爾比為1:1。

優(yōu)選的，本發(fā)明步驟（2）中的干燥溫度為60～80℃，干燥時(shí)間為10～24小時(shí)

優(yōu)選的，本發(fā)明步驟（2）中的過(guò)篩為將粉末過(guò)300目篩。

優(yōu)選的，本發(fā)明所述混合粉末壓實(shí)時(shí)，保壓壓力為8～12 MPa，保壓時(shí)間為30～60 min。

優(yōu)選的，本發(fā)明所述預(yù)燒結(jié)的溫度為800～1200 ℃，煅燒時(shí)間為5～10小時(shí)。

優(yōu)選的，本發(fā)明所述二次燒結(jié)的溫度為1600～1800℃，煅燒時(shí)間為5～10小時(shí)。

優(yōu)選的，本發(fā)明所述聚乙烯醇的水凝膠的質(zhì)量百分比濃度為5～10%，聚乙烯醇水凝膠按100g混合粉末中添加0.75~1.25mL的比例進(jìn)行添加。

本發(fā)明所述聚乙烯醇水凝膠制備：將聚乙烯醇浸泡到水中30～60分鐘，攪拌使聚乙烯醇充分溶脹后，置水浴中隔水加熱，不停攪拌等水燒到70℃，保溫2.5～3小時(shí)充分溶解，冷卻至室溫即可得到。

本發(fā)明的有益效果是：

（1）經(jīng)過(guò)球磨機(jī)混粉后能夠混合均勻，使其在煅燒時(shí)各成分能夠充分地，均勻地反應(yīng)。

（2）工藝純度高，從圖1中可以看出雜質(zhì)雜質(zhì)含量低，產(chǎn)品制備成本低，適合批量生產(chǎn)。

（3）所制得的稀土鈮酸鹽在高溫下熱膨脹系數(shù)較低。

（4）所制得的稀土鈮酸鹽有很好的高溫?zé)岱€(wěn)定性，有望作為新型的高溫陶瓷材料。

（5）所制得的稀土鈮酸鹽與二氧化鋯相比較有較好的力學(xué)性質(zhì)和熱學(xué)性質(zhì)，如圖5和圖6。

附圖說(shuō)明

圖1是實(shí)施例2所制備的稀土鈮酸釔 (YNbO₄) 高溫陶瓷塊體的X射線衍射圖 (XRD圖譜)；

圖2是實(shí)施例2和實(shí)施例6所制備的鈮酸鹽高溫陶瓷塊體；

圖3是實(shí)施例2所制備的稀土鈮酸釔 (YNbO₄) 高溫陶瓷塊體的掃描電鏡圖 (SEM圖譜)；

圖4是實(shí)施例6所制備的稀土鈮酸鹽 (DyNbO₄) 高溫陶瓷塊體的X射線衍射圖；

圖5是實(shí)施例6所制備的稀土鈮酸鹽 (DyNbO₄) 與氧化釔穩(wěn)定性氧化鋯 (YSZ) 的熱導(dǎo)率的圖譜；

圖6是稀土鈮酸鹽的硬度與稀土離子半徑(RE³⁺)的關(guān)系圖譜。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于所述內(nèi)容。

實(shí)施例1

本實(shí)施例所述一種新型耐高溫，抗氧化，抗磨損鈮酸釔（YNbO₄）陶瓷材料及其制備方法，具體包括以下步驟：

稱取氧化釔12.7984g，氧化鈮15.0654g，在無(wú)水乙醇中混合后，置于行星式球磨機(jī)中球磨（球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為300 r/min，球磨時(shí)間為180 min），將0.2 mL 聚乙烯醇的水凝膠加入剛球磨好的混合物A中再次球磨60 min，聚乙烯醇的水凝膠的質(zhì)量百分比濃度為5%；然后將球磨好的溶液在60℃下干燥24小時(shí)后過(guò)300目篩，然后用模具壓制成型（保壓壓力為8 MPa，保壓時(shí)間為60 min），壓制成型后，將其在800℃下預(yù)燒10小時(shí)。

在第一次煅燒原料之后，把混合料研磨均勻，再次溶于無(wú)水乙醇中，置于行星式球磨機(jī)中球磨（球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為300 r/min，球磨時(shí)間為180 min），將0.2 mL 聚乙烯醇的水凝膠加入球磨好的混合物B中再次球磨60 min，聚乙烯醇的水凝膠的質(zhì)量百分比濃度為5%；然后將球磨好的溶液在60℃下干燥24小時(shí)后過(guò)300目篩，然后用模具壓制成型（保壓壓力為8 MPa，保壓時(shí)間為60 min），壓制成型后，將其在1700℃下煅燒3小時(shí)，冷卻至室溫，即得到所需塊狀鈮酸釔（YNbO₄）高溫陶瓷。

本實(shí)施例煅燒的鈮酸釔（YNbO₄）高溫陶瓷純度高，形貌好，如圖1，圖3所示的XRD衍射圖譜和SEM圖譜，經(jīng)過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)卡片（PDF Number:23-1486）比較，可判斷為鈮酸釔（YNbO₄）陶瓷是成功的燒成；如圖2(a)所示，制得一種耐高溫，抗氧化，抗磨損鈮酸釔（YNbO₄）陶瓷材料。

實(shí)施例2

本實(shí)施例所述一種新型耐高溫，抗氧化，抗磨損鈮酸釹（NdNbO₄）陶瓷材料及其制備方法，具體包括以下步驟：

稱取氧化釹19.0715g，氧化鈮15.0654g，在無(wú)水乙醇中混合后，置于行星式球磨機(jī)中球磨（球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為320 r/min，球磨時(shí)間為170 min），將0.2mL聚乙烯醇的水凝膠加入剛球磨好的混合物A中再次球磨50 min，聚乙烯醇的水凝膠的質(zhì)量百分比濃度為6%；然后將球磨好的溶液在64 ℃下干燥22小時(shí)后過(guò)300目篩，然后用模具壓制成型（保壓壓力為9 MPa，保壓時(shí)間為55 min），壓制成型后，將其在850 ℃下預(yù)燒9小時(shí)。

在第一次煅燒原料之后，把混合料研磨均勻，再次溶于無(wú)水乙醇中，置于行星式球磨機(jī)中球磨（球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為320 r/min，球磨時(shí)間為170 min），將0.2mL聚乙烯醇的水凝膠加入球磨好的混合物B中再次球磨50 min，聚乙烯醇的水凝膠的質(zhì)量百分比濃度為6%；然后將球磨好的溶液在64 ℃下干燥22小時(shí)后過(guò)300目篩，然后用模具壓制成型（保壓壓力為9 MPa，保壓時(shí)間為55min），壓制成型后，將其在1650℃下煅燒4小時(shí)，冷卻至室溫，即得到所需塊狀鈮酸釹（NdNbO₄）高溫陶瓷。

實(shí)施例3

本實(shí)施例所述一種新型耐高溫，抗氧化，抗磨損鈮酸釤（SmNbO₄）陶瓷材料及其制備方法，具體包括以下步驟：

稱取氧化釤19.7646g，氧化鈮15.0654g，在無(wú)水乙醇中混合后，置于行星式球磨機(jī)中球磨（球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為340 r/min，球磨時(shí)間為160 min），將0.2mL 聚乙烯醇的水凝膠加入剛球磨好的混合物A中再次球磨45 min，聚乙烯醇的水凝膠的質(zhì)量百分比濃度為7%；然后將球磨好的溶液在66℃下干燥20小時(shí)后過(guò)300目篩，然后用模具壓制成型（保壓壓力為10 MPa，保壓時(shí)間為50 min），壓制成型后，將其在900℃下預(yù)燒8小時(shí)。

在第一次煅燒原料之后，把混合料研磨均勻，再次溶于無(wú)水乙醇中，置于行星式球磨機(jī)中球磨（球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為340 r/min，球磨時(shí)間為160 min），將0.2mL 聚乙烯醇的水凝膠加入球磨好的混合物B中再次球磨45 min，聚乙烯醇的水凝膠的質(zhì)量百分比濃度為7%；然后將球磨好的溶液在66 ℃下干燥20小時(shí)后過(guò)300目篩，然后用模具壓制成型（保壓壓力為10 MPa，保壓時(shí)間為50 min），壓制成型后，將其在1600℃下煅燒7小時(shí)，冷卻至室溫，即得到所需塊狀鈮酸釤（SmNbO₄）高溫陶瓷。

實(shí)施例4

本實(shí)施例所述一種新型耐高溫，抗氧化，抗磨損鈮酸銪（EuNbO₄）陶瓷材料及其制備方法，具體包括以下步驟：

稱取氧化銪19.7464g，氧化鈮15.0654g，在無(wú)水乙醇中混合后，置于行星式球磨機(jī)中球磨（球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為360 r/min，球磨時(shí)間為150 min），將0.25mL 聚乙烯醇的水凝膠加入剛球磨好的混合物A中再次球磨40 min， 聚乙烯醇的水凝膠的質(zhì)量百分比濃度為8%；然后將球磨好的溶液在68 ℃下干燥18小時(shí)后過(guò)300目篩，然后用模具壓制成型（保壓壓力為11 MPa，保壓時(shí)間為40min），壓制成型后，將其在950 ℃下預(yù)燒7小時(shí)。

在第一次煅燒原料之后，把混合料研磨均勻，再次溶于無(wú)水乙醇中，置于行星式球磨機(jī)中球磨（球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為360 r/min，球磨時(shí)間為150 min），將0.25mL 聚乙烯醇的水凝膠加入球磨好的混合物B中再次球磨40 min，聚乙烯醇的水凝膠的質(zhì)量百分比濃度為8%；然后將球磨好的溶液在68 ℃下干燥18小時(shí)后過(guò)300目篩，然后用模具壓制成型（保壓壓力為11 MPa，保壓時(shí)間為40 min），壓制成型后，將其在1650 ℃下煅燒8小時(shí)，冷卻至室溫，即得到所需塊狀鈮酸銪（EuNbO₄）高溫陶瓷。

實(shí)施例5

本實(shí)施例所述一種新型耐高溫，抗氧化，抗磨損鈮酸釓（GdNbO₄）陶瓷材料及其制備方法，具體包括以下步驟：

稱取氧化釓20.5454g，氧化鈮15.0654g，在無(wú)水乙醇中混合后，置于行星式球磨機(jī)中球磨（球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為400 r/min，球磨時(shí)間為120 min），將0.25mL 聚乙烯醇的水凝膠加入剛球磨好的混合物A中再次球磨35 min，聚乙烯醇的水凝膠的質(zhì)量百分比濃度為9%；然后將球磨好的溶液在70 ℃下干燥17小時(shí)后過(guò)300目篩，然后用模具壓制成型（保壓壓力為12 MPa，保壓時(shí)間為30 min），壓制成型后，將其在1000℃下預(yù)燒6小時(shí)。

在第一次煅燒原料之后，把混合料研磨均勻，再次溶于無(wú)水乙醇中，置于行星式球磨機(jī)中球磨（球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為400 r/min，球磨時(shí)間為120 min），將0.25mL 聚乙烯醇的水凝膠加入球磨好的混合物B中再次球磨35 min，聚乙烯醇的水凝膠的質(zhì)量百分比濃度為9%；然后將球磨好的溶液在70 ℃下干燥17小時(shí)后過(guò)300目篩，然后用模具壓制成型（保壓壓力為12 MPa，保壓時(shí)間為30min），壓制成型后，將其在1500℃下煅燒10小時(shí)，冷卻至室溫，即得到所需塊狀鈮酸釓（GdNbO₄）高溫陶瓷。

實(shí)施例6

本實(shí)施例所述一種新型耐高溫，抗氧化，抗磨損鈮酸鏑（DyNbO₄）陶瓷材料及其制備方法，具體包括以下步驟：

稱取氧化鏑21.1408g，氧化鈮15.0654g，在無(wú)水乙醇中混合后，置于行星式球磨機(jī)中球磨（球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為440 r/min，球磨時(shí)間為100 min），將0.3mL 聚乙烯醇的水凝膠加入剛球磨好的混合物A中再次球磨30 min，聚乙烯醇的水凝膠的質(zhì)量百分比濃度為10%；然后將球磨好的溶液在74 ℃下干燥16小時(shí)后過(guò)300目篩，然后用模具壓制成型（保壓壓力為10 MPa，保壓時(shí)間為50 min），壓制成型后，將其在1050℃下預(yù)燒5小時(shí)。

在第一次煅燒原料之后，把混合料研磨均勻，再次溶于無(wú)水乙醇中，置于行星式球磨機(jī)中球磨（球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為440 r/min，球磨時(shí)間為100 min），將0.3mL 聚乙烯醇的水凝膠加入球磨好的混合物B中再次球磨30 min，聚乙烯醇的水凝膠的質(zhì)量百分比濃度為10%；然后將球磨好的溶液在74 ℃下干燥16小時(shí)后過(guò)300目篩，然后用模具壓制成型（保壓壓力為10 MPa，保壓時(shí)間為50 min），壓制成型后，將其在1600℃下煅燒7小時(shí)，冷卻至室溫，即得到所需塊狀鈮酸鏑（DyNbO₄）高溫陶瓷。

本實(shí)施例煅燒的稀土鈮酸鏑（DyNbO₄）高溫陶瓷純度高，如圖4所示的XRD衍射圖譜，經(jīng)過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)卡片（PDF Number:23-1486）比較，可判斷鈮酸鏑（DyNbO₄）陶瓷是成功的燒成了。如圖2(b)所示，制得一種耐高溫，抗氧化，抗磨損鈮酸鏑（DyNbO₄）陶瓷材料。如圖5所示，本實(shí)驗(yàn)所制得的稀土鈮酸鏑（DyNbO₄）與當(dāng)前使用的7～8YSZ 的熱導(dǎo)率(2～3.5 W.m^-1k^-1)相比較，稀土鈮酸鏑（DyNbO₄）有較低的熱導(dǎo)率，表明稀土鈮酸鏑（DyNbO₄）在高溫?zé)嵴贤繉邮褂梅矫嬗休^好的熱學(xué)性質(zhì)。如圖6所示，在力學(xué)方面，較低的硬度值可以有效地阻止殘余應(yīng)力和裂紋的傳播，提高高溫?zé)嵴贤繉拥娜蓓g性和斷裂韌性。

實(shí)施例7

本實(shí)施例所述一種新型耐高溫，抗氧化，抗磨損鈮酸鉺（ErNbO₄）陶瓷材料及其制備方法，具體包括以下步驟：

稱取氧化鉺21.6802g，氧化鈮15.0654g，在無(wú)水乙醇中混合后，置于行星式球磨機(jī)中球磨（球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為470 r/min，球磨時(shí)間為80 min），將0.3mL 聚乙烯醇的水凝膠加入剛球磨好的混合物A中再次球磨60 min，聚乙烯醇的水凝膠的質(zhì)量百分比濃度為5%；然后將球磨好的溶液在78 ℃下干燥12小時(shí)后過(guò)300目篩，然后用模具壓制成型（保壓壓力為9 MPa，保壓時(shí)間為55 min），壓制成型后，將其在1100℃下預(yù)燒4小時(shí)。

在第一次煅燒原料之后，把混合料研磨均勻，再次溶于無(wú)水乙醇中，置于行星式球磨機(jī)中球磨（球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為470 r/min，球磨時(shí)間為80 min），將0.3mL 聚乙烯醇的水凝膠加入球磨好的混合物B中再次球磨60 min，聚乙烯醇的水凝膠的質(zhì)量百分比濃度為5%；然后將球磨好的溶液在78 ℃下干燥12小時(shí)后過(guò)300目篩，然后用模具壓制成型（保壓壓力為9 MPa，保壓時(shí)間為55 min），壓制成型后，將其在1700℃下煅燒2小時(shí)，冷卻至室溫，即得到所需塊狀鈮酸鉺（ErNbO₄）高溫陶瓷。

實(shí)施例8

本實(shí)施例所述一種新型耐高溫，抗氧化，抗磨損鈮酸鐿（YbNbO₄）陶瓷材料及其制備方法，具體包括以下步驟：

稱取氧化鐿22.3371g，氧化鈮15.0654g，在無(wú)水乙醇中混合后，置于行星式球磨機(jī)中球磨（球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為500 r/min，球磨時(shí)間為60 min），將0.3mL 聚乙烯醇的水凝膠加入剛球磨好的混合物A中再次球磨50 min，聚乙烯醇的水凝膠的質(zhì)量百分比濃度為6%；然后將球磨好的溶液在80 ℃下干燥10小時(shí)后過(guò)300目篩，然后用模具壓制成型（保壓壓力為12MPa，保壓時(shí)間為30min），壓制成型后，將其在1200℃下預(yù)燒3小時(shí)。

在第一次煅燒原料之后，把混合料研磨均勻，再次溶于無(wú)水乙醇中，置于行星式球磨機(jī)中球磨（球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為500 r/min，球磨時(shí)間為60 min），將0.3mL 聚乙烯醇的水凝膠加入球磨好的混合物B中再次球磨50 min，聚乙烯醇的水凝膠的質(zhì)量百分比濃度為6%；然后將球磨好的溶液在80℃下干燥10小時(shí)后過(guò)300目篩，然后用模具壓制成型（保壓壓力為12 MPa，保壓時(shí)間為30 min），壓制成型后，將其在1500 ℃下煅燒9小時(shí)，冷卻至室溫，即得到所需塊狀鈮酸鐿（YbNbO₄）高溫陶瓷。