一種制備超高溫隔熱Yb3Al5O12陶瓷元件的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于超高溫隔熱陶瓷技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用單一水溶性無毒添加劑凝膠注模成型制備超高溫隔熱Yb3Al5O12陶瓷元件的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]Yb3Al5O12超高溫隔熱陶瓷具有高熔點(diǎn)(2000°C )、適中的密度(理論密度6.67g/cm3，與氧化釔部分穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)相近^.46g/cm3)、低熱導(dǎo)率(理論最低熱導(dǎo)率為1.22ff/m.K，低于YSZ的理論最低熱導(dǎo)率為1.49ff/m.K)、較低的彈性模量(282GPa)和剪切模量(114GPa)、與YSZ接近的熱膨脹系數(shù)(8.22X 10 6/K)，良好的抗高溫水蒸氣腐蝕性能等優(yōu)異的綜合性能，成為高超聲速飛行器的高溫隔熱、高溫?zé)崦芊狻⒑娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)葉片表面的抗水蒸汽腐蝕涂層、硅基陶瓷和復(fù)合材料(包括SiC、Si3N4、C/SiC、SiC/SiC)的環(huán)境障涂層的候選材料。然后作為高超聲速飛行器的高溫隔熱、高溫?zé)崦芊鈴椥栽牧?，?shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀的低成本制備非常重要。但目前還沒有復(fù)雜形狀Yb3Al5O12超高溫隔熱陶瓷的低成本成型和制備方法的報(bào)道。
[0003]文獻(xiàn)l[0pt.Mater.33:1179-1184(2011)]報(bào)道了利用硝酸鋁和 Yb2O3為原料，采用溶膠-凝膠法制備Yb3Al5O12粉末，該方法產(chǎn)率低、合成周期長(zhǎng)，并且沒有涉及到Y(jié)b 3A15012塊體材料的制備。文獻(xiàn)2[Ceram.1nter.35:25-27(2009)]報(bào)道了用共沉淀方法，即在金屬鹽溶液中逐漸加入尿素獲得Al、Yb的氫氧化物沉淀，經(jīng)反復(fù)洗滌、干燥，最后高溫煅燒得到Y(jié)b3Al5O12粉末。該方法的過程復(fù)雜、產(chǎn)率低，并且也沒有涉及到Y(jié)b 3A15012塊體材料的制備。復(fù)雜形狀陶瓷的成型方法主要包括干壓成型、注射成型、注漿成型、凝膠注模成型等方法。干壓成型的成本低，但對(duì)于復(fù)雜形狀的制品難以保證強(qiáng)度均勻；注射成型適合于小尺寸、復(fù)雜形狀的制品成型，但由于制備的陶瓷坯體中含有大量的添加劑，高溫排蠟過程會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染，同時(shí)難以保證制品的尺寸精度。注漿成型主要適用于制備復(fù)雜形狀的空心制品，對(duì)實(shí)心坯體的成型，芯部的密度難以保證。
[0004]凝膠注模成型或注凝成型是20世紀(jì)90年代美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室發(fā)明的一種陶瓷坯體的精密成型技術(shù)(文獻(xiàn)3 [Am.Ceram.Soc.Bull，70:1641-1649 (1991)])，該技術(shù)將傳統(tǒng)的陶瓷注漿成型技術(shù)與高分子理論巧妙結(jié)合，使復(fù)雜形狀的近凈尺寸成型成為可能。注凝成型方法中水基漿料的注凝成型的實(shí)用性強(qiáng)、坯體質(zhì)量好。但水基漿料的注凝成型通常需要丙烯酰胺單體、N，N’亞甲基雙丙烯酰胺交聯(lián)劑、四甲基乙二胺催化劑，此外還需要加入分散劑、引發(fā)劑、還原劑、PH值調(diào)節(jié)劑等多種添加劑，并且丙烯酰胺及其衍生物具有中度毒性，危害人的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，對(duì)眼、皮膚和粘膜有強(qiáng)刺激作用。為了解決復(fù)雜形狀高溫隔熱、高溫?zé)崦芊猓?3#15012彈性元件的成型問題，同時(shí)克服丙烯酰胺體系的毒性以及漿料制備過程中需要加入交聯(lián)劑、催化劑、分散劑、引發(fā)劑、還原劑、PH值調(diào)節(jié)劑等多種添加劑的復(fù)雜成分和工序，本發(fā)明提供了一種只采用單一的水溶性無毒添加劑異丁烯-順丁烯二酐共聚物實(shí)現(xiàn)室溫、空氣中凝膠注模成型制備復(fù)雜形狀超高溫隔熱Yb3Al5O12陶瓷的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種只采用單一的水溶性無毒添加劑凝膠注模成型制備超高溫隔熱Yb3Al5O12陶瓷的方法。
[0006]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案:一種制備超高溫隔熱Yb3Al5O12陶瓷元件的方法，其包括如下步驟:
[0007](I)原料為Yb2O3和Al 203粉末，經(jīng)高溫固相反應(yīng)得到Y(jié)b #15012陶瓷粉末；所述的Yb2O3和Al 203用量的摩爾比為Yb 203:A1 203= (3.01?3.05):5 ;所述的高溫固相反應(yīng)的反應(yīng)溫度為1000-1350°C，反應(yīng)時(shí)間為1-4小時(shí)；
[0008](2)將步驟(I)所得的￥13#15012陶瓷粉末、水和異丁烯-順丁烯二酐共聚物混合形成穩(wěn)定的Yb3Al5O12陶瓷水基料漿；在室溫下、空氣中Yb 3A15012陶瓷水基料漿澆注到金屬模具中，經(jīng)室溫固化交聯(lián)后得到￥13#15012陶瓷生坯；
[0009]所述的￥13#15012陶瓷水基料漿中Yb 3A15012的固體含量為45_55wt%，交聯(lián)劑異丁烯-順丁烯二酐共聚物的含量為0.1-0.8wt%，其余為水；
[0010](3)最后在1450?1680 °C，燒結(jié)I?4小時(shí)，燒結(jié)氣氛為Ar氣或空氣，即可獲得致密的復(fù)雜形狀的￥13#15012超高溫隔熱陶瓷元件。
[0011]如上所述的一種制備超高溫隔熱￥13#15012陶瓷元件的方法，該方法步驟(I)具體為:將原料Yb2O3和Al 203粉末稱重、混合，混合條件為:無水乙醇介質(zhì)，轉(zhuǎn)速為80-200/轉(zhuǎn)，混料時(shí)間為24-48小時(shí)；然后將混合均勻的原料進(jìn)行干燥處理，干燥溫度為20?40°C，干燥時(shí)間為12?24小時(shí)；將干燥處理后的原料，在空氣中，反應(yīng)溫度為1000?1350°C，反應(yīng)時(shí)間為I?4小時(shí)，制得Yb3Al5O12陶瓷粉末。
[0012]如上所述的一種制備超高溫隔熱Yb3Al5O12陶瓷元件的方法，該方法步驟(2)具體為:將步驟(I)所得的￥13#15012陶瓷粉末用行星式球磨機(jī)球磨，球磨介質(zhì)為無水乙醇，球磨時(shí)間為24?36小時(shí)，轉(zhuǎn)速為200?300轉(zhuǎn)/分；￥13#15012陶瓷水基料漿中Yb #15012的固體含量為45?55wt %，交聯(lián)劑異丁烯-順丁烯二酐共聚物的含量為0.1?0.8wt %，Yb3Al5O1^瓷水基料漿的球磨時(shí)間為0.1?5.0小時(shí)，球磨后得到穩(wěn)定性好、顆粒分散均勻的Yb3Al5O12水基料漿；再將Yb3Al5O12陶瓷水基料漿注凝成型所用的模具為不銹鋼模具，注模溫度為室溫20-38°C，注模環(huán)境為空氣，不需要采取隔絕空氣措施；然后將￥13#15012陶瓷水基料漿的交聯(lián)固化，固化溫度為20?45°C，固化時(shí)間為0.5?8小時(shí)，固化環(huán)境為空氣；交聯(lián)固化后得到的高強(qiáng)度￥13#15012陶瓷坯體的干燥溫度為35?85°C，干燥時(shí)間為5?20小時(shí)，得到Y(jié)b3Al5O12陶瓷生坯。
[0013]如上所述的一種制備超高溫隔熱￥13#15012陶瓷元件的方法，該方法所用的交聯(lián)劑異丁烯-順丁烯二酐共聚物，平均分子量為55000 - 65000，異丁烯和順丁烯二酐的比例為1:1。
[0014]本發(fā)明的效果在于:
[0015]本發(fā)明用單一水溶性無毒添加劑即異丁烯-順丁烯二酐共聚物形成水基料漿注凝成型制備超高溫隔熱Yb3Al5O12陶瓷元件的方法。該方法所用的原料為Yb 203和Al 203粉末，經(jīng)高溫固相反應(yīng)得到￥13#15012陶瓷粉末，將Yb #15012陶瓷粉末、水和異丁烯-順丁烯二酐共聚物混合形成穩(wěn)定的料漿，在室溫下、空氣中澆注到金屬模具中，經(jīng)室溫固化交聯(lián)后得到高強(qiáng)度、復(fù)雜形狀的￥13#15012陶瓷生坯，最后在1450-1680°C燒結(jié)1_4小時(shí)即可獲得致密的復(fù)雜形狀的Yb3Al5O1^高溫隔熱陶瓷元件。具體優(yōu)點(diǎn)如下:
[0016](I)本發(fā)明首次以Yb2O3和Al 203粉末為原料，經(jīng)過稱重、濕法混合、高溫固相反應(yīng)合成、水基料漿制備、注凝成型、固化、干燥和高溫?zé)o壓燒結(jié)獲得復(fù)雜形狀的Yb3Al5O12超高溫隔熱陶瓷元件，經(jīng)分析表明Yb3Al5O12超高溫隔熱陶瓷具有純度高、強(qiáng)度高、熱導(dǎo)率低、形狀和尺寸可以精確控制等優(yōu)點(diǎn)。
[0017](2)本發(fā)明制備復(fù)雜形狀的Yb3Al5O12超高溫隔熱陶瓷元件工藝過程簡(jiǎn)單，在水基￥13#15012超高溫陶瓷料漿中只需要一種異丁烯-順丁烯二酐共聚物，不需要催化劑、分散劑、引發(fā)劑、還原劑等多種添加劑等復(fù)雜成分和工序。
[0018](3)本發(fā)明使用的異丁烯-順丁烯二酐共聚物無毒、無味，使用量小，對(duì)人體無傷害；制備的Yb3Al5O12超高溫隔熱陶瓷料漿在室溫、空氣中即可自發(fā)交聯(lián)固化，固化后的陶瓷坯體強(qiáng)度高、可加工性強(qiáng)。
[0019](4)本發(fā)明提供的固相反應(yīng)合成溫度較低，在1000-1300°C即可獲得高純度的Yb3Al5O12超高溫粉末。
[0020](5)本發(fā)明通過大量試驗(yàn)對(duì)復(fù)雜形狀的Yb3Al5O12超高溫隔熱陶瓷元件制備工藝進(jìn)行了優(yōu)化，尤其是原料的成分、固相反應(yīng)合成、水基料漿制備、注凝成型、固化、干燥和高溫?zé)o壓燒結(jié)的工藝條件進(jìn)行了