一种制备超高温隔热Yb3Al5O12陶瓷元件的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于超高温隔热陶瓷技术领域，具体涉及一种用单一水溶性无毒添加剂凝胶注模成型制备超高温隔热Yb3Al5O12陶瓷元件的方法。
【背景技术】
[0002]Yb3Al5O12超高温隔热陶瓷具有高熔点(2000°C )、适中的密度(理论密度6.67g/cm3，与氧化钇部分稳定的氧化锆(YSZ)相近^.46g/cm3)、低热导率(理论最低热导率为1.22ff/m.K，低于YSZ的理论最低热导率为1.49ff/m.K)、较低的弹性模量(282GPa)和剪切模量(114GPa)、与YSZ接近的热膨胀系数(8.22X 10 6/K)，良好的抗高温水蒸气腐蚀性能等优异的综合性能，成为高超声速飞行器的高温隔热、高温热密封、航空发动机叶片表面的抗水蒸汽腐蚀涂层、硅基陶瓷和复合材料(包括SiC、Si3N4、C/SiC、SiC/SiC)的环境障涂层的候选材料。然后作为高超声速飞行器的高温隔热、高温热密封弹性元件材料，实现复杂形状的低成本制备非常重要。但目前还没有复杂形状Yb3Al5O12超高温隔热陶瓷的低成本成型和制备方法的报道。
[0003]文献l[0pt.Mater.33:1179-1184(2011)]报道了利用硝酸铝和 Yb2O3为原料，采用溶胶-凝胶法制备Yb3Al5O12粉末，该方法产率低、合成周期长，并且没有涉及到Yb 3A15012块体材料的制备。文献2[Ceram.1nter.35:25-27(2009)]报道了用共沉淀方法，即在金属盐溶液中逐渐加入尿素获得Al、Yb的氢氧化物沉淀，经反复洗涤、干燥，最后高温煅烧得到Yb3Al5O12粉末。该方法的过程复杂、产率低，并且也没有涉及到Yb 3A15012块体材料的制备。复杂形状陶瓷的成型方法主要包括干压成型、注射成型、注浆成型、凝胶注模成型等方法。干压成型的成本低，但对于复杂形状的制品难以保证强度均匀；注射成型适合于小尺寸、复杂形状的制品成型，但由于制备的陶瓷坯体中含有大量的添加剂，高温排蜡过程会对环境产生污染，同时难以保证制品的尺寸精度。注浆成型主要适用于制备复杂形状的空心制品，对实心坯体的成型，芯部的密度难以保证。
[0004]凝胶注模成型或注凝成型是20世纪90年代美国橡树岭国家实验室发明的一种陶瓷坯体的精密成型技术(文献3 [Am.Ceram.Soc.Bull，70:1641-1649 (1991)])，该技术将传统的陶瓷注浆成型技术与高分子理论巧妙结合，使复杂形状的近净尺寸成型成为可能。注凝成型方法中水基浆料的注凝成型的实用性强、坯体质量好。但水基浆料的注凝成型通常需要丙烯酰胺单体、N，N’亚甲基双丙烯酰胺交联剂、四甲基乙二胺催化剂，此外还需要加入分散剂、引发剂、还原剂、PH值调节剂等多种添加剂，并且丙烯酰胺及其衍生物具有中度毒性，危害人的中枢神经系统，对眼、皮肤和粘膜有强刺激作用。为了解决复杂形状高温隔热、高温热密封￥13#15012弹性元件的成型问题，同时克服丙烯酰胺体系的毒性以及浆料制备过程中需要加入交联剂、催化剂、分散剂、引发剂、还原剂、PH值调节剂等多种添加剂的复杂成分和工序，本发明提供了一种只采用单一的水溶性无毒添加剂异丁烯-顺丁烯二酐共聚物实现室温、空气中凝胶注模成型制备复杂形状超高温隔热Yb3Al5O12陶瓷的方法。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种只采用单一的水溶性无毒添加剂凝胶注模成型制备超高温隔热Yb3Al5O12陶瓷的方法。
[0006]实现本发明目的的技术方案:一种制备超高温隔热Yb3Al5O12陶瓷元件的方法，其包括如下步骤:
[0007](I)原料为Yb2O3和Al 203粉末，经高温固相反应得到Yb #15012陶瓷粉末；所述的Yb2O3和Al 203用量的摩尔比为Yb 203:A1 203= (3.01?3.05):5 ;所述的高温固相反应的反应温度为1000-1350°C，反应时间为1-4小时；
[0008](2)将步骤(I)所得的￥13#15012陶瓷粉末、水和异丁烯-顺丁烯二酐共聚物混合形成稳定的Yb3Al5O12陶瓷水基料浆；在室温下、空气中Yb 3A15012陶瓷水基料浆浇注到金属模具中，经室温固化交联后得到￥13#15012陶瓷生坯；
[0009]所述的￥13#15012陶瓷水基料浆中Yb 3A15012的固体含量为45_55wt%，交联剂异丁烯-顺丁烯二酐共聚物的含量为0.1-0.8wt%，其余为水；
[0010](3)最后在1450?1680 °C，烧结I?4小时，烧结气氛为Ar气或空气，即可获得致密的复杂形状的￥13#15012超高温隔热陶瓷元件。
[0011]如上所述的一种制备超高温隔热￥13#15012陶瓷元件的方法，该方法步骤(I)具体为:将原料Yb2O3和Al 203粉末称重、混合，混合条件为:无水乙醇介质，转速为80-200/转，混料时间为24-48小时；然后将混合均匀的原料进行干燥处理，干燥温度为20?40°C，干燥时间为12?24小时；将干燥处理后的原料，在空气中，反应温度为1000?1350°C，反应时间为I?4小时，制得Yb3Al5O12陶瓷粉末。
[0012]如上所述的一种制备超高温隔热Yb3Al5O12陶瓷元件的方法，该方法步骤(2)具体为:将步骤(I)所得的￥13#15012陶瓷粉末用行星式球磨机球磨，球磨介质为无水乙醇，球磨时间为24?36小时，转速为200?300转/分；￥13#15012陶瓷水基料浆中Yb #15012的固体含量为45?55wt %，交联剂异丁烯-顺丁烯二酐共聚物的含量为0.1?0.8wt %，Yb3Al5O1^瓷水基料浆的球磨时间为0.1?5.0小时，球磨后得到稳定性好、颗粒分散均匀的Yb3Al5O12水基料浆；再将Yb3Al5O12陶瓷水基料浆注凝成型所用的模具为不锈钢模具，注模温度为室温20-38°C，注模环境为空气，不需要采取隔绝空气措施；然后将￥13#15012陶瓷水基料浆的交联固化，固化温度为20?45°C，固化时间为0.5?8小时，固化环境为空气；交联固化后得到的高强度￥13#15012陶瓷坯体的干燥温度为35?85°C，干燥时间为5?20小时，得到Yb3Al5O12陶瓷生坯。
[0013]如上所述的一种制备超高温隔热￥13#15012陶瓷元件的方法，该方法所用的交联剂异丁烯-顺丁烯二酐共聚物，平均分子量为55000 - 65000，异丁烯和顺丁烯二酐的比例为1:1。
[0014]本发明的效果在于:
[0015]本发明用单一水溶性无毒添加剂即异丁烯-顺丁烯二酐共聚物形成水基料浆注凝成型制备超高温隔热Yb3Al5O12陶瓷元件的方法。该方法所用的原料为Yb 203和Al 203粉末，经高温固相反应得到￥13#15012陶瓷粉末，将Yb #15012陶瓷粉末、水和异丁烯-顺丁烯二酐共聚物混合形成稳定的料浆，在室温下、空气中浇注到金属模具中，经室温固化交联后得到高强度、复杂形状的￥13#15012陶瓷生坯，最后在1450-1680°C烧结1_4小时即可获得致密的复杂形状的Yb3Al5O1^高温隔热陶瓷元件。具体优点如下:
[0016](I)本发明首次以Yb2O3和Al 203粉末为原料，经过称重、湿法混合、高温固相反应合成、水基料浆制备、注凝成型、固化、干燥和高温无压烧结获得复杂形状的Yb3Al5O12超高温隔热陶瓷元件，经分析表明Yb3Al5O12超高温隔热陶瓷具有纯度高、强度高、热导率低、形状和尺寸可以精确控制等优点。
[0017](2)本发明制备复杂形状的Yb3Al5O12超高温隔热陶瓷元件工艺过程简单，在水基￥13#15012超高温陶瓷料浆中只需要一种异丁烯-顺丁烯二酐共聚物，不需要催化剂、分散剂、引发剂、还原剂等多种添加剂等复杂成分和工序。
[0018](3)本发明使用的异丁烯-顺丁烯二酐共聚物无毒、无味，使用量小，对人体无伤害；制备的Yb3Al5O12超高温隔热陶瓷料浆在室温、空气中即可自发交联固化，固化后的陶瓷坯体强度高、可加工性强。
[0019](4)本发明提供的固相反应合成温度较低，在1000-1300°C即可获得高纯度的Yb3Al5O12超高温粉末。
[0020](5)本发明通过大量试验对复杂形状的Yb3Al5O12超高温隔热陶瓷元件制备工艺进行了优化，尤其是原料的成分、固相反应合成、水基料浆制备、注凝成型、固化、干燥和高温无压烧结的工艺条件进行了