一种稀土锆酸盐/MAX相碳化物复合陶瓷及其制备方法

本发明属于无机非高温复合陶瓷材料，尤其涉及一种稀土锆酸盐/max相碳化物复合陶瓷及其制备方法。

背景技术：

1、目前，传统的氧化钇稳定氧化锆(ysz)热障涂层材料已经难以适应先进航空发动机涡轮前燃气进口温度(>1300℃)的不断提升，新型热障涂层材料的开发迫在眉睫。稀土锆酸盐材料的通式为re2zr2o7(re＝稀土元素)，主要有烧绿石结构和缺陷型萤石结构，与传统的ysz相比，稀土锆酸盐晶体结构氧空位浓度比较高，增加了声子散射，具有更低的热导率。稀土锆酸盐因其具有较高熔点、更好的高温相稳定性、较低的热导率等优点，被认为是很有应用前景的一类热障涂层陶瓷层材料。然而，相比传统的ysz相热障涂层，稀土锆酸盐却存在热膨胀系数较小和断裂韧性较差等缺点，直接影响涂层使用寿命。

2、为了进一步改善稀土锆酸盐的热物理性能和断裂韧性，目前的研究主要还是集中在掺杂和改性上。就稀土锆酸盐而言，杂质的掺杂会引入缺陷，从而“松弛”晶格，降低晶格能，达到提高热膨胀系数的目的，同样杂质的掺杂还能改变晶体结构，从而实现增韧效果。

3、例如，lehmann等(thermal conductivity andthermal expansion coefficientsof the lanthanum rare-earth-element zirconate system.jam ceram soc，2003，86(8):1338-1344.)以la2zr2o7为初始原料，采用nd、eu、gd和dy三价稀土元素分别置换了其中的部分la制备得到了la1.4nd0.6zr2o7、la1.4eu0.6zr2o7、la1.4gd0.6zr2o7和la1.7dy0.3zr2o7块体材料，并发现温度在1000℃以下，这些材料的热导率均比纯相la2zr2o7的低，尤其是la1.4nd0.6zr2o7的热导率在800℃时为0.90w·m-1·k-1，明显低于同温度下la2zr2o7的1.55w·m-1·k-1。zhou等(preparation and thermophysical properties of ceo2 dopedla2zr2o7 ceramic for thermal barrier coatings.jalloys compd，2007，2007，438(1-2):217-221)通过ceo2的掺杂，la2zr2o7的热膨胀系数明显提高，并随着温度的升高而增大，当温度超过400℃后，明显高于同温度下未掺杂的la2zr2o7和ysz的热膨胀系数。guo等(thermal expansion and fracture toughness of(re0.9sc0.1)2zr2o7(re＝la,sm,dy,er)ceramics,ceramics international,2016,42(1):583)研究(re0.9sc0.1)2zr2o7(re＝la，sm，dy，er)陶瓷发现sc3+在(la0.9sc0.1)2zr2o7和(sm0.9sc0.1)2zr2o7晶胞中为间隙离子，晶胞膨胀，晶格参数增大，在(dy0.9sc0.1)2zr2o7和(er0.9sc0.1)2zr2o7晶胞中取代了re3+离子，晶胞收缩；sc3+的引入引起晶格畸变，内聚能增加，(re0.9sc0.1)2zr2o7的断裂韧性均有所提升，对gd2zr2o7(1.4mpa·m1/2)的增韧效果最显著，因为sc3+的引入还诱导gd2zr2o7发生相变，这一过程会吸收断裂能；wang等(enhanced thermal expansion and fracture toughness ofsc2o3-doped gd2zr2o7ceramics,ceramics international，2015，41，10730-10735.)报道了在gd2zr2o7中掺杂sc2o3会引入晶格缺陷和结构杂乱，虽然增强了韧性，但同时导致热膨胀系数降低。除了掺杂改性，还可以选择陶瓷材料作为第二相与陶瓷基体结合形成复合陶瓷结构，从而提高断裂韧性，例如，王彩妹等(“磷酸镧/锆酸钆复合材料及其涂层化研究”，天津大学，2017.)还公开了引入第二相磷酸镧对gd2zr2o7的性能进行改性，虽然有效增加了材料的断裂韧性，但对于热膨胀系数的作用却并未提及。

4、由上可知，虽然稀土锆酸盐有着比ysz陶瓷材料更低的热导率、更好的相稳定性能和抗烧结性能，但是稀土锆酸盐的热膨胀系数以及断裂韧性却没有ysz陶瓷材料高，这限制了稀土锆酸盐陶瓷材料的使用。因此，研制具有较高热膨胀系数和断裂韧性的稀土锆酸盐陶瓷材料具有重要的意义。

技术实现思路

1、基于上述技术问题，本发明提供了一种稀土锆酸盐/max相碳化物复合陶瓷及其制备方法，通过将max相碳化物对稀土锆酸盐进行复合改性，不仅提高了所得复合陶瓷的热物理性能和力学性能，而且改善了其抗cmas腐蚀效果，为新型热障涂层材料的研发奠定了基础。

2、本发明提出的一种稀土锆酸盐/max相碳化物复合陶瓷，所述复合陶瓷包括重量比为9:1-1:9的稀土锆酸盐和max相碳化物；

3、所述稀土锆酸盐为yb对锆酸钆gd位掺杂的(gdxyb1-x)2zr2o7，0＜x＜1；所述max相碳化物为max相m2alc，m＝vb族或vib族元素。

4、优选地，x＝0.9。

5、优选地，m＝ta或cr。

6、本发明还提出一种稀土锆酸盐/max相碳化物复合陶瓷的制备方法，包括：将稀土锆酸盐粉末和max相碳化物粉末按照重量比为9:1-1:9混合，压制，烧结后，即得到所述稀土锆酸盐/max相碳化物复合陶瓷。

7、优选地，所述稀土锆酸盐粉末是将氧化钆、氧化锆和氧化镱混合，烧结后得到；

8、优选地，所述氧化钆、氧化锆和氧化镱的摩尔比为0.9:2:0.1。

9、优选地，所述混合采用湿法球磨实现；

10、优选地，湿法球磨时，以无水乙醇为溶剂，球磨转速为150-300r/min，球磨时间为12-16h。

11、优选地，所述烧结包括预烧结和二次烧结；

12、优选地，所述预烧结温度为1300-1500℃，烧结时间为4-8h；二次烧结温度为1400-1600℃，烧结时间为4-8h。

13、本发明中，在预烧结后，还将所得预烧结陶瓷进行二次球磨，经过二次球磨机混粉球磨后能够混合均匀，使其在二次煅烧时能够充分反应。

14、优选地，所述max相碳化物为max相m2alc，m＝vb族或vib族元素；

15、优选地，m＝ta或cr。

16、优选地，所述混合亦采用湿法球磨实现，混合之后还包括将混合粉末过200-300目筛；

17、优选地，湿法球磨时，以无水乙醇为溶剂，球磨转速为150-300r/min，球磨时间为12-16h。

18、优选地，所述压制压力为10-15mpa，时间为0.5-2min；所述烧结温度为1400-1550℃，时间为4-6h。

19、本发明的有益效果：

20、(1)本发明所述gybz/tac和gybz/cac复合陶瓷与纯gybz相比，具有较好的热物理性能和很好的抗cmas腐蚀能力，其中尤以0.8gybz/0.2tac的热物理性能最佳。

21、(2)本发明所述gybz/tac和gybz/cac复合陶瓷中0.8gybz/0.2tac复合陶瓷具有最低的热导率，800℃时可达到1.438w·m-1·k-1，1400℃热膨胀系数可达到12.337×10-6k-1，有望成为新型的高温陶瓷材料。

22、(3)本发明所述gybz/tac和gybz/cac复合陶瓷中0.8gybz/0.2tac复合陶瓷还具有较高的断裂韧性，可达2.12mpa·m1/2，且具有高温相稳定性。

23、(4)本发明所述gybz/tac和gybz/cac复合陶瓷的制备方法工艺纯度高，杂质含量低，产品制备成本低，适合批量生产。