本發(fā)明屬于納米材料制備，尤其涉及一種新型溶膠凝膠法制備高純度復(fù)合稀土單硅酸鹽(yb2-xyx)sio5陶瓷粉體的方法。

背景技術(shù)：

1、隨著先進航空發(fā)動機朝著高效率、高推重比方向發(fā)展，其內(nèi)部熱端部件表面溫度將遠遠超過傳統(tǒng)鎳基高溫合金所能承受的溫度范圍。碳化硅纖維增強碳化硅陶瓷基復(fù)合材料(sicf/sic?cmc)因具有低密度、高強度、高模量、抗氧化等優(yōu)點，成為最具潛力的可替代鎳基高溫合金的新型熱結(jié)構(gòu)/功能材料。但是，發(fā)動機實際服役環(huán)境包含了高溫、腐蝕介質(zhì)、燃氣沖刷以及復(fù)雜應(yīng)力，在這些環(huán)境因素交織作用下，sicf/sic?cmc的性能不斷惡化，嚴重制約了其在航空發(fā)動機熱端部件上的應(yīng)用。環(huán)境障涂層(ebcs)技術(shù)正是確保sicf/sic?cmc在航空發(fā)動機中長期服役的關(guān)鍵技術(shù)，其原理為，在sicf/sic?cmc構(gòu)件表面制備一層耐水氧腐蝕、熔鹽腐蝕以及抗其他環(huán)境因素損傷的陶瓷涂層，有效阻止或減緩發(fā)動機燃氣環(huán)境的腐蝕與破壞作用，提高陶瓷基復(fù)合材料在發(fā)動機環(huán)境中的表面穩(wěn)定性?？梢?，ebcs技術(shù)在高性能先進發(fā)動機的研究中有著舉足輕重的地位。

2、ebcs一般由si粘結(jié)層和陶瓷面層組成。早期的第一代和第二代陶瓷面層分別是以莫來石(3al2o3·2sio2，mullite)和鋇鍶鋁氧((1-x)bao-xsro-al2o3-sio2，0≤x≤1，bsas)為主體涂層材料，它們與sicf/sic陶瓷基復(fù)合材料的熱學(xué)、力學(xué)和化學(xué)相容性較優(yōu)。但mullite和bsas只能滿足1200℃以下的服役環(huán)境，在更高溫服役環(huán)境中二者抗水蒸氣腐蝕能力差，易失穩(wěn)剝落。相比于前二代ebcs，稀土單硅酸鹽(re2sio5，re＝la,y,lu,yb等)憑借優(yōu)良的耐高溫性能、化學(xué)穩(wěn)定性、相穩(wěn)定性和抗環(huán)境腐蝕性能成為ebcs的首選面層材料之一。

3、然而，新一代先進航空發(fā)動機對sicf/sic?cmc及ebcs材料的性能提出了更高要求。現(xiàn)有單一稀土組元re2sio5的性能已無法兼顧抗高溫腐蝕性能和低熱膨脹系數(shù)，以及其抗高溫腐蝕性能隨溫度提高急劇下降等，難以滿足新一代ebc綜合設(shè)計要求。為研發(fā)服役溫度更高、抗高溫水氧、熱循環(huán)沖擊和cmas腐蝕性能更優(yōu)的ebcs，目前研究已從單稀土主元擴展至新型雙稀土主元或多稀土組元re2sio5硅酸鹽。陽離子摻雜策略，即利用化學(xué)性質(zhì)相似的元素摻雜，可在不改變原材料晶體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上一定程度地調(diào)控?zé)嵛锢?、化學(xué)性能，是一種提高材料本征性能的有效方法。已有研究結(jié)果表明，與單一稀土主元的re2sio5相比，通過合理成分設(shè)計、制備的雙稀土復(fù)合re2sio5硅酸鹽材料可以表現(xiàn)出更優(yōu)異的高溫相穩(wěn)定性、高溫水蒸氣腐蝕抗性和cmas腐蝕抗性。針對這類雙稀土復(fù)合re2sio5硅酸鹽涂層面層材料的力學(xué)、熱學(xué)和耐腐蝕性能進行研究，可為新一代ebcs的設(shè)計研發(fā)提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)積累和技術(shù)支撐。目前，制備雙稀土復(fù)合re2sio5硅酸鹽粉體的最常用方法主要有固相法、水熱法和溶膠凝膠法。固相法對設(shè)備和燒結(jié)溫度要求過高，合成的粉體粒徑較大，且反應(yīng)不充分會導(dǎo)致出現(xiàn)元素分布不均和含雜質(zhì)相等質(zhì)量問題。除此以外，固相法還存在合成周期長、合成溫度高、能耗大、效率低等問題。水熱法對設(shè)備的要求也比較高，反應(yīng)條件苛刻。綜上，非常有必要開發(fā)一種簡單、低成本制備高品質(zhì)雙稀土復(fù)合re2sio5硅酸鹽陶瓷粉體的方法，所合成的粉體應(yīng)具有高純、元素分布均勻等優(yōu)點。針對此，本發(fā)明采用溶膠凝膠法合成高純復(fù)合稀土(yb2-xyx)sio5硅酸鹽粉體，該方法所需設(shè)備簡單，工藝簡單可控，且反應(yīng)均勻充分純度高、合成粉體粒徑較小，具有良好的應(yīng)用前景。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明要解決的技術(shù)問題主要在于克服現(xiàn)有技術(shù)中(yb2-xyx)sio5粉體普遍存在的純度不高、面層材料和基底熱膨脹系數(shù)不匹配等問題，提供一種高純度復(fù)合稀土單硅酸鹽(yb2-xyx)sio5陶瓷粉體的制備方法。

2、為了解決技術(shù)問題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案為：

3、一種高純復(fù)合稀土單硅酸鹽陶瓷粉體的制備方法，包括如下步驟；

4、s1、所述陶瓷粉體的化學(xué)式為(yb2-xyx)sio5，式中x＝1-2，例如x可取為0.2、0.4、0.6、0.8、1。按照化學(xué)式中各元素的化學(xué)計量比稱取五水硝酸鐿、六水硝酸釔與四硅酸乙酯，即鐿鹽、釔鹽的摩爾比為(2-x):x，稀土原子的總摩爾量與si原子的摩爾量比為(yb+y):si＝2:1。

5、s2、將五水硝酸鐿yb(no3)3·5h2o與六水硝酸釔y(no3)3·6h2o加入到無水乙醇中，在60-80℃下進行恒溫加熱和攪拌，使兩種稀土硝酸鹽完全溶于無水乙醇，得到澄清的混合液a，并冷卻至室溫。

6、s3、在磁力攪拌作用下將四硅酸乙酯滴加到混合液a中，持續(xù)攪拌得到澄清的混合液b。

7、s4、按照hcl溶液與乙醇的體積比為0.3:1，用乙醇稀釋2mol/l的hcl溶液；在磁力攪拌的條件下，將稀釋后的hcl溶液緩慢滴加到混合液b中，得到澄清的混合液c，將該溶液用保鮮膜封口后，置于60-80℃油浴中恒溫攪拌直至形成透明的前驅(qū)體溶膠，陳化得到不流動濕凝膠。

8、s5、將濕凝膠放入恒溫干燥箱中進行干燥，直至得到淡黃色的干凝膠。

9、s6、將干凝膠在瑪瑙研缽中破碎、研磨成細粉末，過粗篩，其中過篩的篩網(wǎng)為100目；將過篩后的凝膠粉末倒入剛玉坩堝，并置入高溫管式爐中，升溫至1400-1600℃高溫煅燒60-120min，得到高純度(yb2-xyx)sio5粉體。

10、優(yōu)選的，步驟s2中所述恒溫加熱和攪拌的方式為油浴攪拌。通過對油浴條件進行設(shè)置，能夠使得原料充分反應(yīng)。本技術(shù)方案中油浴攪拌溫度為60-80℃。

11、優(yōu)選的，步驟s4中油浴攪拌的時間為18-24h。

12、優(yōu)選的，步驟s5中，所述干燥是先在80-100℃干燥6-8h，再在120-150℃干燥16-24h。

13、優(yōu)選的，步驟s6中所述高溫煅燒采用梯度加熱的方式：先以5-10℃/min的升溫速率從室溫升溫至1000℃，再以2-5℃/min的速率升溫至1400-1600℃并保溫煅燒60-120min，然后以2-5℃/min的速率降溫至1000℃，再以5-10℃/min的速率降至300℃，最后自然冷卻至室溫。

14、本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在：

15、本發(fā)明采用簡單、高效的溶膠-凝膠法合成了高純度復(fù)合稀土硅酸鹽(yb2-xyx)sio5陶瓷粉體，具有稀土元素均勻分布、不含雜質(zhì)相等優(yōu)異特性，并通過改變摻雜元素的比例，可達到調(diào)控材料的熱膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率的目的，提高sicf/sic?cmc與涂層材料的熱膨脹匹配性和隔熱能力，為re2sio5系環(huán)境障涂層在發(fā)動機熱端部件上的高穩(wěn)定和長壽命服役提供技術(shù)指導(dǎo)和理論支撐。

技術(shù)特征：

1.一種高純復(fù)合稀土單硅酸鹽陶瓷粉體的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高純復(fù)合稀土單硅酸鹽陶瓷粉體的制備方法，其特征在于，所用五水硝酸鐿、六水硝酸釔與無水乙醇的純度為分析純，所用四硅酸乙酯為試劑級。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高純復(fù)合稀土單硅酸鹽陶瓷粉體的制備方法，其特征在于，步驟s4中油浴攪拌的時間為18-24h。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高純復(fù)合稀土單硅酸鹽陶瓷粉體的制備方法，其特征在于，步驟s5中，所述干燥是先在80-100℃干燥6-8h，再在120-150℃干燥16-24h。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高純復(fù)合稀土單硅酸鹽陶瓷粉體的制備方法，其特征在于，步驟s6中所述高溫煅燒采用梯度加熱的方式：先以5-10℃/min的速率從室溫升溫至1000℃，再以2-5℃/min的速率升溫至1400-1600℃并保溫煅燒60-120min，然后以2-5℃/min的速率降溫至1000℃，再以5-10℃/min的速率降至300℃，最后自然冷卻至室溫。

6.一種權(quán)利要求1～5中任意一項所述制備方法所制得的高純復(fù)合稀土單硅酸鹽陶瓷粉體。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于納米材料制備領(lǐng)域，尤其涉及一種高純復(fù)合稀土單硅酸鹽陶瓷粉體及其制備方法，具體流程為：將Yb(NO3)3·5H2O和Y(NO3)3·6H2O溶于無水乙醇后，向溶液中逐滴加入四硅酸乙酯，然后再滴加稀鹽酸促進水解和縮合化學(xué)反應(yīng)得到凝膠，將凝膠在高溫下裂解、反應(yīng)得到白色的高純(Yb2?xYx)SiO5粉體。本發(fā)明的制備方法操作簡單、產(chǎn)率高且反應(yīng)條件易控制，利于產(chǎn)業(yè)化；本發(fā)明合成的復(fù)合稀土硅酸鹽(Yb2?xYx)SiO5粉體具有元素分布均勻、純度高等優(yōu)點，可用于作為航空發(fā)動機及燃氣輪機高性能環(huán)境障涂層材料。

技術(shù)研發(fā)人員：胡小曄,董文秀,袁潔燕,黃竹林,李昕揚,李明
受保護的技術(shù)使用者：中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9