一种兼具低热导率和高红外发射率的陶瓷材料、陶瓷涂层及其制备方法

本发明属于陶瓷涂层材料制备技术领域，具体涉及一种兼具低热导率和高红外发射率的陶瓷材料、陶瓷涂层及其制备方法。

背景技术：

目前，热防护涂层的研究多集中在热障涂层，即利用材料的低热导率进行隔热，但随着高超声速飞行器、先进航空发动机及航天器等的迅速发展，具有单一低热导率的热障涂层难以满足实际应用。热交换有三种基本形式，即热对流、热传导和热辐射。可以考虑通过涂层的热辐射性能进一步散热，特别在高温/超高温环境和真空环境下，热辐射散热作用占据主导地位，且大部分辐射热波长位于红外波段。典型热障涂层ysz具有较低的热导率(800℃时1.80w/(m·k)左右)，但红外发射率相对较低(室温下1～22μm波段0.70左右)。同时兼具低热导率高红外发射率的陶瓷涂层罕见被报道。另外，将兼具低热导率和高红外发射率的涂层应用于工业窑炉内部，可以提高燃料的利用率，起节能环保的作用。因此，研究同时具有低热导率和高红外发射率的综合热防护涂层材料十分重要。

技术实现要素：

本发明针对现有热防护涂层材料往往具有单一低热导率，而不能同时具有高红外发射率的不足，目的在于提出一种兼具低热导率和高红外发射率的陶瓷材料、陶瓷涂层及其制备方法，以解决现有热防护涂层材料不能满足高温/超高温环境热防护的需求。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：

一种兼具低热导率和高红外发射率的陶瓷材料，它由基料通过高温固相反应合成所得；所述基料包括hfo2和sm2o3；按质量百分比计分别为hfo255％～75％，sm2o325％～45％。

本发明提供一种兼具低热导率和高红外发射率的陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：

1)将各基料烘干后，与水和研磨球混合后球磨得到均匀的浆料，然后将浆料通入喷雾造粒塔进行喷雾干燥，得到混合粉末；

2)将混合粉末置于高温电炉进行高温固相反应，待所述高温固相反应结束后，得到合成粉末，即为兼具低热导率和高红外发射率的陶瓷材料。

按上述方案，步骤1)所述浆料中，水、研磨球与基料的质量比为(2～2.5)：(2～2.5)：1。

按上述方案，步骤1)中，喷雾造粒塔的工艺参数包括：入风口温度为200～220℃，排风口温度为110～130℃，雾化器频率为25～28hz。

按上述方案，步骤2)中，所述高温固相反应的烧结温度为1300～1600℃，烧结时间为9h～24h。

在上述基础上，本发明还提供一种兼具低热导率和高红外发射率的陶瓷涂层的制备方法，包括以下步骤：

(1)将本发明所述兼具低热导率和高红外辐射的陶瓷材料中加入水和粘结剂进行配浆后球磨，然后将浆料通入喷雾造粒塔进行喷雾造粒，得到球形粉末，筛分备用；其中，筛分后的球形粉末的粒径范围为32～125μm；

(2)采用等离子喷涂技术将筛分后的球形粉末喷涂在经过预处理的高温合金、不锈钢和铝合金等基体表面，在基体表面制得兼具低热导率和高红外发射率的陶瓷涂层。其中，在等离子喷涂过程中，喷涂电流550～620a，喷涂功率37～42kw，氩气30～35nlpm，氢气8～12nlpm，载气氩气1～3nlpm，送粉率6～15％，搅拌率50～60％，前冷却2～5bar，喷枪x方向移动速度800～1100mm/s；预处理方法具体为去离子水冲洗、超声波清洗、酒精浸泡、100℃烘干、单面喷砂等。

相对于现有技术，本发明具有以下优势：

(1)本发明的兼具低热导率和高红外发射率的陶瓷材料原料组成简单，一定比例的hfo2和sm2o3混合粉末经过高温固相反应合成陶瓷材料；

(2)本发明所述兼具低热导率和高红外发射率的陶瓷材料在1300～1600℃高温具有良好的相稳定性和抗烧结性能，在400～1000℃范围，热导率为0.7～0.9w/(m·k)，200～1300℃范围内，平均热膨胀系数与8ysz相近，约为9×10^-6～10.5×10^-6k^-1，在400～800℃范围内在2.5～25μm波段的中红外波段的平均发射率为0.80～0.95；且在室温至1000℃范围，陶瓷涂层具有很低的热导率(0.60～0.75w/(m·k))，同时，在600℃时8～14μm波段范围，陶瓷涂层具有很高的红外发射率(大于0.90)。

(3)本发明的兼具低热导率和高红外发射率的陶瓷材料和陶瓷涂层的制备方法简单易控，其涂层具有优良的综合热防护性能，可以广泛应用于工业窑炉、航空航天等高温部件的热防护。

附图说明

图1为实施例155wt.％hfo2-45wt.％sm2o3陶瓷在室温至1000℃温度范围内的热导率随温度变化曲线图。

图2为实施例155wt.％hfo2-45wt.％sm2o3陶瓷在2.5～25μm波段范围内800℃的红外发射率曲线图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1

一种兼具低热导率和高红外发射率的陶瓷材料，按质量百分比计由55wt.％hfo2和45wt.％sm2o3通过高温固相反应合成所得。

上述兼具低热导率和高红外发射率的陶瓷材料具体通过如下方法制得：

(1)选取适量纯度为99.9％的hfo2和sm2o3粉末，置于1000℃的马弗炉中烘干1小时。

(2)取混合原料(混合原料由55wt.％hfo2和45wt.％sm2o3混合而成)、去离子水和锆球倒入球磨罐中，锆球、去离子水和混合原料的质量比为2:2:1，将球磨罐置于转速为36r/min的球磨机上球磨24小时；

(3)将球磨完的浆料通入旋转喷雾干燥塔中进行喷雾干燥，旋转喷雾干燥塔的入风口温度为220℃，排风口温度为110℃，雾化器频率为28hz，得到混合粉末；

(4)步骤(3)所得混合粉末过200目网筛后，在1600℃的高温炉中烧结9h以进行高温固相反应，得到合成粉末，即为兼具低热导率和高红外发射率的陶瓷材料。

一种兼具低热导率和高红外发射率的陶瓷涂层，具体通过如下方法制得：

1)将上述步骤(4)中高温固相反应得到的合成粉末与去离子水和锆球按质量比1:1:2倒入球磨罐中，加入占合成粉末2wt.％的阿拉伯树胶粉作为粘结剂，在球磨机上球磨72h；

2)将步骤1)球磨后获得的浆料通入喷雾造粒塔中进行造粒，喷雾造粒塔的入风口温度为220℃，排风口温度为110℃，雾化器频率为25hz，制得可直接用于喷涂的兼具低热导率和高红外发射率的球状陶瓷粉体；

3)将步骤2)所得球状陶瓷粉体在dz125高温合金基体表面采用等离子喷涂技术制备兼具低热导率和高红外发射率的涂层；其中，等离子喷涂技术的参数为：电流620a，功率42kw，氩气35nlpm，氢气12nlpm，氩气2.8nlpm，送粉率15％，搅拌率60％，前冷却3bar，喷枪x方向移动速度800mm/s。

经测试，在1000℃时，本实施例所得陶瓷涂层的热导率为0.72w/(m·k)，在2.5～25μm特定波长范围内，本实施例陶瓷涂层在800℃下的平均红外发射率为0.89。

实施例2

一种兼具低热导率和高红外发射率的陶瓷材料，由75wt.％hfo2和25wt.％sm2o3通过高温固相反应合成。

上述兼具低热导率和高红外发射率的陶瓷材料具体通过如下方法制得：

(1)选取适量纯度为99.9％的hfo2和sm2o3粉末，置于1000℃的马弗炉中烘干1小时；

(2)取混合原料(混合原料由75wt.％hfo2和25wt.％sm2o3混合而成)、去离子水和锆球倒入球磨罐中，锆球、去离子水和混合原料的质量比为2:2:1，将球磨罐置于转速为36r/min的球磨机上球磨24小时；

(3)将球磨完的浆料通入旋转喷雾干燥塔中进行喷雾干燥，旋转喷雾干燥塔的入风口温度为220℃，排风口温度为110℃，雾化器频率为28hz，得到混合粉末；

(4)步骤(3)所得混合粉末过200目网筛后，在1300℃的高温炉中烧结24h以进行高温固相反应，得到合成粉末，即为兼具低热导率和高红外发射率的陶瓷材料。

一种兼具低热导率和高红外发射率的陶瓷涂层，具体通过如下方法制得：

1)将上述步骤(4)中高温固相反应得到的合成粉末与去离子水和锆球按质量比1:1:2倒入球磨罐中，加入2wt.％阿拉伯树胶粉作为粘结剂，在球磨机上球磨72h；

2)将步骤1)球磨后获得的浆料通入喷雾造粒塔中进行造粒，喷雾造粒塔的入风口温度为220℃，排风口温度为110℃，雾化器频率为25hz，制得可直接用于喷涂的兼具低热导率和高红外发射率的球状陶瓷粉体；

3)将步骤2)所得球状陶瓷粉体在dz125高温合金基体表面采用等离子喷涂技术制备兼具低热导率和高红外发射率的涂层；其中，等离子喷涂技术的参数为：电流620a，功率42kw，氩气35nlpm，氢气12nlpm，氩气2.8nlpm，送粉率15％，搅拌率60％，前冷却3bar，喷枪x方向移动速度800mm/s。

经测试，在1000℃时，本实施例所述陶瓷涂层的热导率为0.80w/(m·k)，在8～14μm特定波长范围内，本实施例陶瓷涂层在600℃下的红外发射率为0.87。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干改进和变换，这些都属于本发明的保护范围。