一种Al3+掺杂型低红外、低热导率半导体陶瓷材料及其制备方法与流程

本发明涉及新材料技术领域。具体地说是一种al³⁺掺杂型低红外、低热导率半导体陶瓷材料及其制备方法。

背景技术：

低红外发射材料在军事隐身，能源利用，光电信息领域中具有广泛用途，常规低红外辐射材料多以金属材料为主，但是受到金属材料自身属性制约，存在高温环境下红外发射率大、热导率偏高、易发生腐蚀氧化的缺点，因此限制了其在高温环境中的使用。如树脂基金属微粉涂层与玻璃基金属微粉涂层，长期使用温度仅为300-400℃；金属薄膜涂料在常温下的红外发射率都比较低，但经过高温氧化后，其红外发射率会大幅增加；无机低发射率涂层可耐高温到600℃，但是发射率偏高，比金属薄膜高0.2-0.3。为此，有必要开发适合在高温环境中长期服役，性能稳定的低红外发射材料。

技术实现要素：

为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种可在1400℃高温环境中服役使用的al³⁺掺杂低红外发射率、低热导率的陶瓷材料及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种al³⁺掺杂型低红外、低热导率半导体陶瓷材料，半导体陶瓷材料的分子式为srzr1-xalxo3，其中x为al³⁺掺杂取代zr的原子数百分数。

上述al³⁺掺杂型低红外、低热导率半导体陶瓷材料，al³⁺掺杂的掺杂范围为0.1<x<0.7。

上述al³⁺掺杂型低红外、低热导率半导体陶瓷材料，al³⁺掺杂的掺杂范围为0.025<x<0.5。

一种al³⁺掺杂型低红外、低热导率半导体陶瓷材料的制备方法，以锆酸锶srzro3为基体，掺杂不同比例的al³⁺制备获得半导体陶瓷材料，具体包括如下步骤：

(1)锆酸锶陶瓷粉体制备；

(2)素坯成型；

(3)陶瓷烧制。

上述al³⁺掺杂型低红外、低热导率半导体陶瓷材料的制备方法，在步骤(1)中，采用柠檬酸法或固相法获得锆酸锶陶瓷粉体。

上述al³⁺掺杂型低红外、低热导率半导体陶瓷材料的制备方法，柠檬酸法为：

(a-1)按照权利要求书1-3所述的半导体陶瓷材料的分子式srzr1-xalxo3选定x数值，计算并称取锆源原料、锶源原料和铝源原料；

(a-2)根据称取反应物原料的总质量，用5到15倍质量的用去离子水溶解混合，然后加入柠檬酸，所述柠檬酸的加入量为锆源原料、锶源原料和铝源原料中总金属离子摩尔数的1至4倍，并用氨水调节溶液ph值至7-10，然后将混合溶液在80℃水浴搅拌下加热至粘稠后，静止12至24小时；

(a-3)在90-150℃范围内干燥，干燥时间大于或等于12小时，得前驱体干凝胶；

(a-4)前驱体干凝胶经650-1100℃保温4至8小时，即得锆酸锶陶瓷粉体。

上述al³⁺掺杂型低红外、低热导率半导体陶瓷材料的制备方法，固相法为：

(b-1)按照权利要求书1-3所述的半导体陶瓷材料的分子式srzr1-xalxo3选定x数值；计算并称取锆源原料、锶源原料和铝源原料；

(b-2)经球磨12小时混合；

(b-3)然后将混合粉体经1600℃保温6-12小时，即得锆酸锶陶瓷粉体。

上述al³⁺掺杂型低红外、低热导率半导体陶瓷材料的制备方法，锆源原料为硝酸锆、碳酸锆、醋酸锆、氯化锆或氧化锆；锶源原料为硝酸锶、碳酸锶、氯化锶或氧化锶；铝源原料为硝酸铝、氯化铝、硫酸铝、氧化铝或氢氧化铝。

上述al³⁺掺杂型低红外、低热导率半导体陶瓷材料的制备方法，在步骤(2)中：将步骤(1)所制备的锆酸锶陶瓷粉体与聚乙烯醇pva混合研磨，干燥，然后将混合物装入模具，压片成型，成型压力10-20mpa；所述聚乙烯醇的加入量为锆酸锶陶瓷粉体质量的1-5％。

上述al³⁺掺杂型低红外、低热导率半导体陶瓷材料的制备方法，在步骤(3)中：通过高温炉将步骤(2)所制备的素坯在1400-1800℃烧结2-12小时，即得al³⁺掺杂型低红外、低热导率半导体陶瓷材料。

本发明的技术方案取得了如下有益的技术效果：

本发明所提供的半导体陶瓷材料的红外辐射率在3-5μm波段小于0.5，热导率低于2.5w·m^-1·k^-1，能够在室温至1400℃环境温度下使用，并且在600-1200℃下的热导率可降至1.5w·m^-1·k^-1以下，可以很好的在高温环境中服役，并且在长期的高温环境中性能稳定，抗腐蚀氧化能力强。

本发明解决了现有金属低红外辐射材料存在的红外发射率随温度升高而上升、易受高温腐蚀作用以及热导率偏高的技术缺陷。

本发明所提供的半导体陶瓷材料具备耐高温、不易腐蚀的优点，通过材料改性调控，所得半导体陶瓷材料同时具备低红外发射率及低热导率，能够很好地克服金属材料存在的不足，满足高温环境中的使用要求；可用做高温环境下的军用航空器材的隐身材料及低红外辐射材料器件的制造。

附图说明

图1本发明al³⁺掺杂型低红外、低热导率半导体陶瓷材料中不同al³⁺掺杂量的xrd衍射图；

图2本发明al³⁺掺杂型低红外、低热导率半导体陶瓷材料中不同al³⁺掺杂量在3-5μm波段的红外辐射率图；

图3本发明al³⁺掺杂型低红外、低热导率半导体陶瓷材料中不同al³⁺掺杂量的热导率图。

图4本发明al³⁺掺杂型低红外、低热导率半导体陶瓷材料中不同al³⁺掺杂量的tg-dsc图。

具体实施方式

实施例1

本实施例srzr0.875al0.125o3陶瓷材料的柠檬酸法制备步骤如下：

1、锆酸锶陶瓷粉体的制备，本实施例采用柠檬酸法制备锆酸锶粉体

(a-1)按分子式srzr0.875al0.125o3计算硝酸锆、硝酸锶、硝酸铝的加入量，并称取硝酸锆、硝酸锶、硝酸铝作为原料；

(a-2)加入反应物原料总质量10倍的去离子水中搅拌，待反应物全部溶解之后，然后加入柠檬酸，所述柠檬酸的加入量为锆源原料、锶源原料和铝源原料中总金属离子摩尔数的2倍，氨水调节溶液ph值至8，之后在80℃水浴搅拌加热至溶液粘稠，静止12小时；

(a-3)在120℃干燥24小时，得前驱体干凝胶；

(a-4)将所得前驱体干凝胶置于马弗炉中1000℃保温6小时，即得锆酸锶陶瓷粉体材料；

2、素坯成型：将所得锆酸锶陶瓷粉体与聚乙烯醇(pva)混合均匀，研磨，干燥，然后将混合物置于模具中，干粉压片，成型压力为20mpa，保压10分钟。聚乙烯醇(pva)的加入质量为锆酸锶陶瓷粉体质量的3％。

3、陶瓷烧制：干粉压制成型后，将坯体至于高温炉内1600℃烧结6小时。即得srzr0.875al0.125o3陶瓷材料。

实施例2

本实施例srzr0.875al0.125o3陶瓷材料固相反应法制备方法步骤如下：

1、锆酸锶粉体的制备，本实施例采用固相反应法制备锆酸锶粉体

(b-1)按分子式srzr0.875al0.125o3计算硝酸锆、硝酸锶、硝酸铝的加入量，并称取硝酸锆、硝酸锶、硝酸铝作为原料；

(b-2)高速球磨24小时，使反应物充分混合；

(b-3)将混合粉体置于高温炉内，1600℃保温6小时，即得锆酸锶陶瓷粉体材料。

2、素坯成型：将所得锆酸锶陶瓷粉体材料与聚乙烯醇(pva)混合均匀，研磨，干燥，然后将混合物置于模具中，干粉压片，成型压力为20mpa，保压10分钟。聚乙烯醇(pva)的加入质量为锆酸锶陶瓷粉体质量的3％。

3、陶瓷烧制：干粉压制成型后，将坯体至于高温炉内1600℃烧结6小时；即得srzr0.875al0.125o3陶瓷材料。

选择实施例1制得的srzr0.875al0.125o3陶瓷材料进行性能测试：

所得产物srzr0.875al0.125o3的xrd见附图1，由图1可知：其特征衍射峰晶面指标分别为(001),(200),(211),(220),(310),与srzro3晶体正交相(jcpdsno：44-161)晶体衍射特征峰相符，未出现其他杂峰。

所得陶瓷红外辐射率经测试，结果见附图2，由图2可知：在3-5μm波段范围内，srzr0.875al0.125o3的红外辐射率在室温条件下为0.481，290℃为0.362，其红外发射率随温度升高表现出有进一步降低的趋势，所得产物在室温及高温环境下均具备出低红外辐射特性。

热导率测试结果见附图3，由图3可知：在室温条件下，srzr0.875al0.125o3的热导率为2.436w·m^-1·k^-1,热导率随着温度升高将逐步降低，至1000℃时热导率达到最低值为1.415w·m^-1·k^-1,之后受光子辐射传热影响，红外发射率将进一步升高。但是在室温至1400℃范围内，其红外辐射率均不超过2.5w·m^-1·k^-1,具备低热导特性。

tg-dsc测试结果见附图4，由图4可知：在室温至1400℃范围内，srzr0.875al0.125o3的质量及热量均未发生明显变化，由此说明所制材料未发生高温条件下的物质反应及相变，材料表现出了高温稳定性。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本专利申请权利要求的保护范围之中。