一种纳米结构双硅酸镥喂料及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于环境障涂层材料制备技术领域，尤其涉及一种纳米结构双硅酸镥喂料及其制备方法和应用。

背景技术

环境障涂层可保护陶瓷基复合材料在潮湿燃烧气体下免受氧化、挥发和腐蚀，被广泛应用于航空航天发动机的热端部件。因此，选择合适的环境障涂层材料对提高涂层性能起着至关重要的作用。环境障涂层材料的选择有一些原则。例如，高熔点、低热导率、与基体相匹配的热膨胀系数、低弹性模量、低氧渗透率、良好的相稳定性和高温耐腐蚀性等。

目前国内外制备环境障涂层的方法多种多样，如等离子喷涂法、等离子-物理气相沉积法、浆料法、溶胶-凝胶法、化学气相沉积法、激光熔覆法等。

在第三代环境障涂层材料体系中，双硅酸镥由于具有优异的高温相稳定性、低SiO

综上，非常有必要提供一种纳米结构双硅酸镥喂料及其制备方法和应用。

发明内容

为了解决现有技术中存在的一个或者多个技术问题，本发明提供了一种纳米结构双硅酸镥喂料及其制备方法和应用。本发明方法制备出的是一种适用于等离子喷涂的单一相结构的双硅酸镥(Lu

本发明在第一方面提供了一种纳米结构双硅酸镥喂料的制备方法，所述方法包括如下步骤：

(1)将纳米Lu

所述纳米Lu

(2)将所述混合浆料进行喷雾造粒，得到复合粉体；

(3)将所述复合粉体进行高温烧结，得到纳米结构双硅酸镥喂料；所述纳米结构双硅酸镥喂料不含有单硅酸镥Lu

优选地，所述高温烧结为：先在400℃～600℃烧结0.5～1.5h，然后在1100℃～1400℃烧结1～4h。

优选地，所述高温烧结为：先在500℃烧结1h，然后在1250℃～1400℃烧结2～4h优选为在1250℃烧结2h。

优选地，在步骤(1)中进行球磨时，还加入了水、粘合剂和磨球；优选的是，所述水为去离子水；优选的是，所述粘合剂为质量分数为8～15％优选为10％的聚乙烯醇溶液；优选的是，所述磨球为氧化锆球。

优选地，所述纳米Lu

(0.8～1.2)优选为100:1。

优选地，所述球磨的时间为18～30h，优选为24h；和/或所述球磨的速度为220～300r/min，优选为260r/min。

优选地，所述喷雾造粒的工艺参数为：进风温度为230℃，出风温度为110℃，蠕动泵的转速为20r/min。

优选地，所述纳米Lu

本发明在第二方面提供了由本发明在第一方面所述的制备方法制得的纳米结构双硅酸镥喂料。

本发明在第三方面提供了由本发明在第一方面所述的制备方法制得的纳米结构双硅酸镥喂料在采用等离子喷涂法制备环境障涂层中的应用。

本发明与现有技术相比至少具有如下有益效果：

(1)本发明所使用的Lu

(2)本发明制备的纳米结构Lu

(3)本发明制备的纳米结构Lu

(4)本发明经过高温烧结后无需再进行等离子体喷涂处理，便可直接得到单一相结构的Lu

附图说明

图1为实施例1步骤①中纳米Lu

图2为实施例1步骤①中纳米SiO

图3为实施例1步骤①中纳米Lu

图4为实施例1步骤①中纳米SiO

图5为实施例1～2以及对比例1～3中得到的双硅酸镥喂料的XRD图谱，图中a为对比例1得到的双硅酸镥喂料的XRD图谱，图中b为对比例2得到的双硅酸镥喂料的XRD图谱，图中c为实施例1得到的纳米结构双硅酸镥喂料的XRD图谱，图中d为实施例2得到的纳米结构双硅酸镥喂料的XRD图谱，图中e为对比例3得到的双硅酸镥喂料的XRD图谱；

图6为实施例3至实施例6中得到的纳米结构双硅酸镥喂料的XRD图谱，图中a为实施例3得到的纳米结构双硅酸镥喂料的XRD图谱，图中b为实施例4得到的纳米结构双硅酸镥喂料的XRD图谱，图中c为实施例5得到的纳米结构双硅酸镥喂料的XRD图谱，图中d为实施例6得到的纳米结构双硅酸镥喂料的XRD图谱；

图7为实施例7至实施例9中得到的纳米结构双硅酸镥喂料的XRD图谱，图中a为实施例7得到的纳米结构双硅酸镥喂料的XRD图谱，图中b为实施例8得到的纳米结构双硅酸镥喂料的XRD图谱，图中c为实施例9得到的纳米结构双硅酸镥喂料的XRD图谱；

图8为实施例8得到的纳米结构双硅酸镥喂料的低倍表面SEM图；

图9为实施例8得到的纳米结构双硅酸镥喂料的高倍表面SEM图；从图8和图9中可以看出，实施例8制备的纳米结构双硅酸镥Lu

图10为实施例8得到的纳米结构双硅酸镥喂料的的截面SEM图；从图10中可以看出，实施例8制备的纳米结构双硅酸镥Lu

图11为实施例8得到的纳米结构双硅酸镥喂料的TEM图；从图11中可以看出，实施例8制备的纳米结构双硅酸镥喂料的晶粒尺寸基本在50nm～100nm之间，这与上述XRD的结果分析是一致的，也证明了Lu

图12为对比例4至对比例6中得到的双硅酸镥喂料的XRD图谱，图中a为对比例4得到的双硅酸镥喂料的XRD图谱，图中b为对比例5得到的双硅酸镥喂料的XRD图谱，图中c为对比例6得到的双硅酸镥喂料的XRD图谱。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明在第一方面提供了一种纳米结构双硅酸镥喂料的制备方法，所述方法包括如下步骤：

(1)将纳米Lu

(2)将所述混合浆料进行喷雾造粒，得到复合粉体；

(3)将所述复合粉体进行高温烧结，得到纳米结构双硅酸镥喂料；所述纳米结构双硅酸镥(Lu

目前还没有见报道可以制备出用于等离子喷涂的纳米结构Lu

本发明经过高温烧结后无需再进行等离子体喷涂处理，便可直接得到单一相结构的Lu

根据一些优选的实施方式，所述高温烧结为：先在400℃～600℃(例如400℃、450℃、500℃、550℃或600℃)烧结0.5～1.5h(例如0.5、1或1.5h)，然后在1100℃～1400℃(例如1100℃、1150℃、1200℃、1250℃、1300℃、1350℃或1400℃)烧结1～4h(例如1、1.5、2、2.5、3、3.5或4h)；具体地，例如，首先，从室温以5℃/min～10℃/min优选为5℃/min升温到400℃～600℃优选为500℃，保温1h；其次，从400℃～600℃以5℃/min～10℃/min优选为8℃/min升温到1100℃～1400℃，保温1h～4h；最后，随炉冷却至室温。

根据一些优选的实施方式，所述高温烧结为：先在500℃烧结1h，然后在1250℃～1300℃(例如1250℃、1300℃、1350℃或1400℃)烧结2～4h(例如2、2.5、3、3.5或4h)优选为在1250℃烧结2h；在本发明中，例如所述步骤(3)中高温烧结工艺具体为：首先，从室温(例如室温15～35℃)以5℃/min升温到500℃，保温1h；其次，从500℃以8℃/min升温到1250℃，保温2h；最后，随炉冷却至室温(例如室温15～35℃)。

本发明发现，对于制备单一相的适用于等离子喷涂的纳米结构双硅酸镥喂料而言，优选为先在500℃烧结1h，然后在1250℃～1400℃烧结2～4h更优选为在1250℃烧结2h，如此才有利于保证得到纯度高，成分仅为单一相β-Lu

根据一些优选的实施方式，所述纳米结构双硅酸镥喂料的成分为单一相β-Lu

根据一些优选的实施方式，在进行高温烧结时，升温速率为5～10℃/min。

根据一些优选的实施方式，在步骤(1)中进行球磨时，还加入了水、粘合剂和磨球；优选的是，所述水为去离子水；优选的是，所述粘合剂为质量分数为8～15％优选为10％的聚乙烯醇溶液；在本发明中，聚乙烯醇溶液例如可以为聚乙烯醇水溶液，本发明对聚乙烯醇溶液不做具体的限定，例如可以采用自配或者购买的质量分数为10％的聚乙烯醇水溶液；优选的是，所述磨球为氧化锆球，所述氧化锆球的直径例如可以为5mm。

根据一些优选的实施方式，所述纳米Lu

根据一些优选的实施方式，所述球磨的时间为18～30h，优选为24h；和/或所述球磨的速度为220～300r/min，优选为260r/min。

根据一些优选的实施方式，所述喷雾造粒的工艺参数为：进风温度为230℃，出风温度为110℃，蠕动泵的转速为20r/min。

根据一些优选的实施方式，所述纳米Lu

本发明在第二方面提供了由本发明在第一方面所述的制备方法制得的纳米结构双硅酸镥喂料。

本发明在第三方面提供了由本发明在第一方面所述的制备方法制得的纳米结构双硅酸镥喂料在采用等离子喷涂法制备环境障涂层中的应用。

下文将通过举例的方式对本发明进行进一步的说明，但是本发明的保护范围不限于这些实施例。本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

对比例1

①将氧化锆球和去离子水先后放入球磨罐中，随后将称量后的纳米Lu

②将步骤①所得的混合浆料进行喷雾造粒，得到复合粉体；喷雾造粒工艺参数为：进风温度为230℃，出风温度为110℃，蠕动泵的转速为20r/min。

③将步骤②所得的复合粉体放入刚玉坩埚中，在高温箱式电阻炉中进行高温烧结，烧结后的粉体分别过200目和400目筛，得到粒径为200～400目的粉体，即得到双硅酸镥Lu

对比例2

对比例2与对比例1基本相同，不同之处在于：

在步骤①中，所述纳米Lu

实施例1

①将氧化锆球和去离子水先后放入球磨罐中，随后将称量后的纳米Lu

②将步骤①所得的混合浆料进行喷雾造粒，得到复合粉体；喷雾造粒工艺参数为：进风温度为230℃，出风温度为110℃，蠕动泵的转速为20r/min。

③将步骤②所得的复合粉体放入刚玉坩埚中，在高温箱式电阻炉中进行高温烧结，烧结后的粉体分别过200目和400目筛，得到粒径为200～400目的粉体，即得到纳米结构双硅酸镥Lu

实施例2

实施例2与实施例1基本相同，不同之处在于：

在步骤①中，所述纳米Lu

对比例3

对比例3与实施例1基本相同，不同之处在于：

在步骤①中，所述纳米Lu

本发明对实施例1～2以及对比例1～3得到的双硅酸镥喂料进行了XRD分析，图谱如图5所示；由XRD结果分析出的双硅酸镥喂料的物相组成及晶粒尺寸，如表1所示。

表1

/>

由图5和表1的结果可知，当纳米Lu

实施例3

实施例3与实施例1基本相同，不同之处在于：

在步骤③中，所述的高温烧结工艺参数为：首先，从室温以5℃/min升温到500℃，保温1h；其次，从500℃以8℃/min升温到1100℃，保温4h；最后，随炉冷却至室温。

实施例4

实施例4与实施例1基本相同，不同之处在于：

在步骤③中，所述的高温烧结工艺参数为：首先，从室温以5℃/min升温到500℃，保温1h；其次，从500℃以8℃/min升温到1200℃，保温4h；最后，随炉冷却至室温。

实施例5

实施例5与实施例1基本相同，不同之处在于：

在步骤③中，所述的高温烧结工艺参数为：首先，从室温以5℃/min升温到500℃，保温1h；其次，从500℃以8℃/min升温到1250℃，保温4h；最后，随炉冷却至室温。

实施例6

实施例6与实施例1基本相同，不同之处在于：

在步骤③中，所述的高温烧结工艺参数为：首先，从室温以5℃/min升温到500℃，保温1h；其次，从500℃以8℃/min升温到1300℃，保温4h；最后，随炉冷却至室温。

本发明对实施例3～6得到的双硅酸镥喂料进行了XRD分析，图谱如图6所示；由XRD结果分析出的双硅酸镥喂料的物相组成及晶粒尺寸，如表2所示。

表2

由图6和表2的结果可知，在保温时间一定的情况下，当高温烧结的第二阶段温度为1250℃～1400℃时，产物为单一的β-Lu

实施例7

实施例7与实施例1基本相同，不同之处在于：

在步骤③中，所述的高温烧结工艺参数为：首先，从室温以5℃/min升温到500℃，保温1h；其次，从500℃以8℃/min升温到1250℃，保温1h；最后，随炉冷却至室温。

实施例8

实施例8与实施例1基本相同，不同之处在于：

在步骤③中，所述的高温烧结工艺参数为：首先，从室温以5℃/min升温到500℃，保温1h；其次，从500℃以8℃/min升温到1250℃，保温2h；最后，随炉冷却至室温。

实施例9

实施例9与实施例1基本相同，不同之处在于：

在步骤③中，所述的高温烧结工艺参数为：首先，从室温以5℃/min升温到500℃，保温1h；其次，从500℃以8℃/min升温到1250℃，保温3h；最后，随炉冷却至室温。

本发明对实施例7～9得到的双硅酸镥喂料进行了XRD分析，图谱如图7所示；由XRD结果分析出的双硅酸镥喂料的物相组成及晶粒尺寸，如表3所示。

表3

从图7和表3中的结果可知，当在烧结温度均为1250℃时，随着保温时间的缩短，产物的平均晶粒尺寸在逐渐减小，但当保温时间低于2h时，会有X2-Lu

因此，高温烧结工艺(包括烧结温度和烧结时间)对产物的物相组成及平均晶粒尺寸具有显著的影响，也是制备用于喷涂的纳米结构喂料的一项重要技术。

本发明测得实施例8制备的纳米结构双硅酸镥Lu

表4

从表4可知，实施例8制得的纳米结构双硅酸镥Lu

对比例4

①将氧化锆球和去离子水先后放入球磨罐中，随后将称量后的纳米Lu

②将步骤①所得的混合浆料进行喷雾造粒，得到复合粉体；喷雾造粒工艺参数为：进风温度为230℃，出风温度为110℃，蠕动泵的转速为20r/min。

③将步骤②所得的复合粉体再与纳米SiO

对比例5

对比例5与对比例4基本相同，不同之处在于：

③将步骤②所得的复合粉体再与纳米SiO

对比例6

对比例6与实施例8基本相同，不同之处在于：

在步骤③中，所述的高温烧结工艺参数为：首先，从室温以5℃/min升温到500℃，保温1h；其次，从500℃以8℃/min升温到1080℃，保温1h；再以8℃/min升温至1500℃，并在1500℃下保温4h；最后，随炉冷却至室温。

本发明对对比例4～6得到的双硅酸镥喂料进行了XRD分析，图谱如图12所示；由XRD结果分析出的双硅酸镥喂料的物相组成及晶粒尺寸，如表5所示。

表5

本发明还测得对比例4～6制备的双硅酸镥Lu

表6

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从表5和表6中的结果可知，对比例4和对比例5的物相组成不是单一的β-Lu

本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。