一种铈锆复合稀土基高熵陶瓷材料及其制备方法

技术领域

本发明属于高熵合金技术领域，具体而言，涉及一种铈锆复合稀土高熵、高熵多孔陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

近年来，高熵陶瓷(High-entropy ceramics，HECs)作为一种含有三种或三种以上主成分的等摩尔比或接近等摩尔比的单组分化合物的固溶体，因其导热系数低、硬度高、耐环境性强等特性越来越受到人们的关注。高熵陶瓷通常指由五种或五种以上陶瓷组元形成的固溶体，因其独特的“高熵效应”及优越的性能，近年来已成为陶瓷领域的热点。熵是热力学中表征物质混乱程度的参量，其概念由克劳修斯(T.Clausius)于1854年提出。熵越低，系统越稳定有序；熵越高，系统越混乱。高熵陶瓷的研究最早可追溯到2015年，随后越来越多的高熵陶瓷，包括萤石结构、钙钛矿结构、尖晶石结构的高熵氧化物陶瓷以及硼化物、碳化物、氮化物、硅化物等非氧化物高熵陶瓷如雨后春笋般涌现出来，逐渐成为研究热点。

高熵陶瓷的特点可以概括为四点：(1)热力学的高熵效应；(2)结构的晶格畸变效应；(3)动力学的迟滞扩散效应；(4)性能上的“鸡尾酒”效应。高熵材料的核心效应之一是缓慢扩散，其中由于固溶体引起的晶格畸变和多元素的协同扩散，阻碍了原子的运动和原子的有效扩散，因此，当高温下使用高熵材料时，可以保持细小的晶粒，并期望晶粒生长速度缓慢，这种慢扩散效应为TBC材料即晶粒细小、生长速度慢的高熵固溶体的设计开辟了一个新的窗口。

鉴于高熵陶瓷具有此优异的性能，因此，围绕高熵陶瓷的掺杂等研究成为目前研究的热点。

发明内容

本发明旨在提供一种铈锆复合稀土基高熵陶瓷及其制备方法，该方法可通过材料的高熵作用获得具有良好红外吸收性能的低导热系数材料。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种铈锆复合稀土基高熵陶瓷材料，具有以下化学通式：RE

根据本发明，所述铈锆复合稀土基高熵陶瓷材料的结构式为(La

根据本发明，所述铈锆复合稀土基高熵陶瓷材料为致密陶瓷材料或者多孔陶瓷材料，所述通孔的孔径为5nm～50μm，优选为0.2～10μm。

根据本发明，所述铈锆复合稀土基高熵陶瓷材料的热导率为0.6W/mK～0.9W/mK。

根据本发明的另一方面，还提供了一种铈锆复合稀土基高熵陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：S1、将氧化锆、氧化铈和至少五种稀土氧化物RE

根据本发明，步骤S1中所述氧化锆、氧化铈中金属离子(Zr

根据本发明，所述粘结剂为PVP、PVB或聚乙二醇。

优选地，所述粘接剂与混合物粉体/铈锆复合稀土基高熵陶瓷粉体的质量比为(0.03-0.08):1，所述乙醇和混合物粉体/铈锆复合稀土基高熵陶瓷粉体的体积质量比(mL/g)为(1-10):3。

根据本发明，所述步骤S1中高能球磨的转速为800～1100rpm，时间为2～6小时；所述高能球磨的模式为每工作4分钟间歇1分钟，正转反转依次轮换。

优选地，步骤S1中高能球磨时的磨球为氧化锆球，所述氧化锆球与粉体原料的质量比为(2-10):1；所述氧化锆球的直径为3mm。

根据本发明，所述步骤S2和步骤S5中的干燥温度为60～90℃，干燥时间为12～24小时。优选地，所述过筛的筛网孔径为50～200目。优选地，所述压片时压块的压力为5～15MPa，压块的压制时间为10～20s。优选地，在步骤S3中预烧结的温度为1000～1200℃，升温速率为2℃/min，保温时间为6～24小时，优选保温8～12小时。

根据本发明，所述步骤S3中采用高能球磨机破碎处理，转速为800～1100rpm，时间为10分钟。优选地，所述步骤S4中高能球磨采用氧化锆球，所述氧化锆球与铈锆复合稀土基高熵陶瓷粉体的质量比为(2-10):1，所述氧化锆球的直径约为1cm。优选地，所述步骤S4中成孔剂为纤维素纳米纤维、纤维素纳米晶和纤维素粉中的一种或多种。优选地，所述纤维素纳米纤维的直径为4～10nm，长为1～3μm；优选直径为4～8nm，长为1.5～2μm。优选地，所述纤维素纳米晶的直径为5～20nm，长为50～200nm。优选地，所述纤维素粉的粒径≤25μm。优选地，所述铈锆复合稀土基高熵陶瓷粉体与成孔剂的质量比为1:(0-0.5)。

优选地，所述步骤S5中的烧结温度为1000～1900℃，优选为1400℃～1600℃升温速率为2℃/min，保温时间为6～24小时。

本发明的有益效果：

1)本发明将铈酸稀土和锆酸稀土结合并进行高熵化设计，降低了热导率，提高了耐热性能，同时采用稀土氧化物RE

2)本发明的铈锆稀土基高熵陶瓷本身的导热系数已明显降低，在此基础上利用纤维素造孔形成多孔陶瓷，以纤维素作为成孔剂容易形成通孔，通孔的形成进一步降低了材料的导热系数，此外纤维素的碳含量少，还能有效防止陶瓷材料的碳化。

附图说明

图1为本发明采用高温固相法制备铈锆复合稀土基高熵陶瓷、高熵多孔陶瓷的工艺流程图。

图2为本发明实施例1中合成的(La

图3为本发明实施例1中合成的(La

图4为本发明实施例2中合成的(La

图5为本发明实施例3中合成的(La

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合本附图及实施例，对本发明做进一步的详细说明。需要强调，此处描述的具体实施例仅用于更好的阐述本发明，为本发明部分实施例，而非全部实施例，所以并不用作限定本发明。此外，下面描述的本发明实施例中涉及的技术特征，只要彼此间未构成冲突，即可以相互组合。

本发明提供了一种铈锆复合稀土基高熵陶瓷材料，具有以下化学通式：具有以下化学通式：RE

本发明将铈酸稀土和锆酸稀土结合并进行高熵化设计，降低了热导率，提高了耐热性能，同时采用稀土氧化物RE

具体地，所述铈锆复合稀土基高熵陶瓷材料的结构式可以为的结构式为(La

本发明的铈锆复合稀土基高熵陶瓷材料可以为无孔致密陶瓷材料或者多孔陶瓷材料。当铈锆复合稀土基高熵陶瓷材料为多孔陶瓷材料时，其孔为通孔，所述通孔的孔径为5nm～50μm，优选为0.2～10μm。优选地，所述铈锆复合稀土基高熵陶瓷材料的热导率为0.6W/mK～0.9W/mK。

根据本发明另一方面，还提供了一种铈锆复合稀土基高熵陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、将氧化锆(ZrO

S2、将步骤S1得到的混合物经过干燥、过筛、压片，得到致密坯体A。

S3、将所述致密坯体A进行预烧结、保温，再破碎处理，得到铈锆复合稀土基高熵陶瓷粉体。

S4、将步骤S3中得到的所述铈锆复合稀土基高熵陶瓷粉体与无水乙醇、粘结剂进行高能球磨；或者将铈锆复合稀土基高熵陶瓷粉体与成孔剂、无水乙醇、粘结剂混合后进行高能球磨，得到混合物；

S5、将步骤S4中得到的混合物干燥、过筛、压块，得到致密坯体B，将所述致密坯体B经过烧结、保温，即可得到铈锆复合稀土基高熵致密或多孔陶瓷。。

所述稀土氧化物RE

根据本发明，步骤S1中所述氧化锆、氧化铈与五种稀土氧化物中金属离子满足：(Zr

根据本发明，步骤S1、S4中还包括添加粘结剂混合进行高能球磨的过程，所述粘结剂为PVP、PVB或聚乙二醇。

优选地，在所述步骤S1中，所述粘接剂与所述混合物粉体的质量比为(0.03-0.08):1。所述乙醇与所述混合物粉体的体积质量比(mL/g)为(1-10):3。

优选地，在所述步骤S4中，所述粘接剂与所述铈锆复合稀土基高熵陶瓷粉体的质量比为(0.03-0.08):1。所述乙醇与铈锆复合稀土基高熵陶瓷粉体的体积质量比(mL/g)为(1-10):3。

根据本发明，所述高能球磨的转速为800～1100rpm，时间为2～6小时；所述高能球磨的模式为每工作4分钟间歇1分钟，正转反转依次轮换。优选地，球磨所用的磨球为氧化锆球，氧化锆球与粉体原料的质量比为(2-10):1，其直径约为3mm。

根据本发明，所述步骤S2、S5中的干燥温度为60～90℃，干燥时间为12～24小时。优选地，所述过筛的筛网孔径为50～200目；压片时压块的压力为5～15MPa，压块的压制时间为10～20s。

优选地，在步骤S3中预烧结的温度为1000～1200℃，升温速率为2℃/min，保温时间为6～24小时，优选保温8～12小时。

根据本发明，步骤S3中破碎采用高能球磨机进行，其转速为800～1100rpm，时间为10分钟。优选地，球磨所用的磨球为氧化锆球，所述氧化锆球与铈锆复合稀土基高熵陶瓷粉体的质量比为(2-10):1，所述氧化锆球的直径约为1cm。

优选地，步骤S4中的成孔剂为纤维素纳米纤维、纤维素纳米晶和纤维素粉中的一种或多种。

优选地，所述纤维素纳米纤维的直径为4～10nm，长为1～3μm；优选直径为4～8nm，长为1.5～2μm。

优选地，所述纤维素纳米晶的直径为5～20nm，长为50～200nm。

优选地，所述纤维素粉的粒径≤25μm。

优选地，铈锆复合稀土基高熵陶瓷粉体成孔剂的质量比为1:(0-0.5)。

根据本发明的实施方案，所述步骤S5中的烧结温度为1000～1900℃，优选为1400℃～1600℃升温速率为2℃/min，保温时间为6～24小时。

下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

除非另有说明，以下实施例中使用的原料和试剂均为市售商品，或者可以通过已知方法制备。

实施例1

制备铈锆复合稀土基高熵陶瓷(La

图3为其DES元素分布图，六种稀土离子均匀分布在陶瓷体上，实现了稀土金属的均匀掺杂。采用热常数分析仪(hot disk)方法测试其热导率，其热导率数值为0.8581W/mK。

实施例2

制备铈锆复合稀土基高熵陶瓷(La

1)分别称取0.02mol的La

2)将球磨后的混合物置于90℃条件下干燥12h，完成后过100目标准筛进行筛分，而后将粉末进行压块，设置压块机压力为10MPa，压制20s，得到坯体A，然后将坯体A放入马弗炉中进行预烧结，控制预烧结温度1000℃，升温速度2℃/min，保温时间8h，得到(La

3)将上述得到的高熵陶瓷置于氧化锆球磨罐中，加入240g氧化锆球(直径1cm)，控制球磨机转速1000rpm，球磨10min(无间歇)，将得到的铈锆复合稀土基高熵陶瓷进行破碎；之后将氧化锆球(直径1cm)取出，加入80ml乙醇，6.4g纤维素纳米晶(直径为5-20nm，长为50-200nm)，2.56g PVB以及240g氧化锆(直径3mm)球进行高能球磨，控制球磨机转速1000rpm，球磨4h(工作4分钟后间歇1分钟)。

4)完成后将混合物置于90℃条件下干燥12h，完成后过100目标准筛进行筛分，而后将粉末进行压块，设置压块机压力为10MPa，压制20s，得到坯体B，而后将坯体B放入马弗炉中进行烧结，控制烧结温度1500℃，升温速度2℃/min，保温时间8h，即可得到(La

图4为制备的铈锆复合稀土基高熵陶瓷(La

采用热常数分析仪(hot disk)方法测试其热导率，其热导率数值为0.6934W/mK。

实施例3

铈锆复合稀土基高熵陶瓷材料(La

1)分别称取0.02mol的La

2)将球磨后的混合物置于60℃条件下干燥24h，完成后过50目标准筛进行筛分，而后将粉末进行压块，设置压块机压力为10MPa，压制10s，得到坯体A，然后将坯体A放入马弗炉中进行预烧结，控制预烧结温度1100℃，升温速度2℃/min，保温时间20h，得到(La

3)将上述得到的高熵陶瓷置于氧化锆球磨罐中，加入300g氧化锆球(直径1cm)，控制球磨机转速1100rpm，球磨10min(无间歇)，将得到的铈锆复合稀土基高熵陶瓷进行破碎；之后将氧化锆球(直径1cm)取出，加入50ml乙醇，18g纤维素纳米纤维，2g聚乙二醇以及300g氧化锆(直径3mm)球进行高能球磨，控制球磨机转速1100rpm，球磨2h(工作4分钟后间歇1分钟)。

4)完成后将混合物置于60℃条件下干燥24h，完成后过200目标准筛进行筛分，而后将粉末进行压块，设置压块机压力为10MPa，压制10s，得到坯体B，而后将坯体B放入马弗炉中进行烧结，控制烧结温度1600℃，升温速度2℃/min，保温时间24h，即可得到(La

图5为上述制备的铈锆复合稀土基高熵陶瓷(La

采用热常数分析仪(hot disk)方法测试其热导率，其热导率数值为0.7561W/mK。

以上所述仅是本发明的优选应用实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。