本發(fā)明涉及陶瓷材料技術(shù)領(lǐng)域，具體為涉及納米結(jié)構(gòu)鋯酸鑭粉體的新型制備方法，該粉體材料特別適用于熱噴涂(等離子噴涂或火焰噴涂)等工藝制備熱障涂層或高溫燒結(jié)工藝制備結(jié)構(gòu)陶瓷。

背景技術(shù)：

為了提高航空航天發(fā)動機等推重比和熱效率，最可行、最經(jīng)濟的手段是在高溫合金材料的表面使用在熱障涂層材料來減少燃燒室的熱量向金屬基體傳遞，從而提高燃氣的使用效率。如今，熱障涂層已經(jīng)成為先進發(fā)動機熱端部件和內(nèi)燃機應用中的重要技術(shù)，而目前最廣泛使用的熱障涂層材料是部分以穩(wěn)定氧化鋯(YSZ)，但是隨著對燃氣渦輪效率的要求的提高，必須要提高燃料的燃燒溫度，所以發(fā)動機需要能耐受更高的溫度。鋯酸鑭以其優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、不易相變以及低的熱導率性能，使其在近幾年受到了廣泛的研究，已經(jīng)被報道是下一代熱障涂層材料的候選材料，同時該材料還具有高的輻照穩(wěn)定性，可以作為核廢料處理過程中的固化介質(zhì)材料，另外，該材料晶格中含有大量的氧空位，具有陽離子的導電特性，可作為高溫固體燃料電池的候選材料及氣敏材料，還可以利用其熒光特性可用作熒光材料以及高溫催化劑。

制備鋯酸鑭的方法有很多種，比如CN101407336A提供了一種采用共離子沉淀方法制備鋯酸鑭粉體的方法，CN103553596A提供一種采用溶膠凝膠法制備鋯酸鑭纖維的方法，CN104843787A提供了一種采用鹽熔法制備立方體鋯酸鑭納米單晶的方法，鋯酸鑭粉體常用的制備方法包括固相反應法、自蔓延燃燒法、化學共沉淀法、溶膠-凝膠法、溶膠-凝膠自蔓延燃燒法、水熱法等，但是這些方法中會存在一些缺陷，比如引入雜質(zhì)離子、高的反應溫度、有毒試劑或者較高的成本等。以固相法為例，合成鋯酸鑭的過程需要較長的周期并且反應溫度特別高，在合成過程中，氧化鋯與氧化鑭是在粉體混合均勻在高溫超過1600℃下進行煅燒得到燒綠石相，就算可以通過手段降低溫度，但是需要進行多次反復燒結(jié)等繁瑣步驟。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種制備納米結(jié)構(gòu)鋯酸鑭粉體的方法，該方法制備的納米結(jié)構(gòu)鋯酸鑭粉體分散性好、工藝簡單、所需設(shè)備簡單，該制備方法與傳統(tǒng)固相法相比煅燒溫度可降低300～500℃，適用于大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。

實現(xiàn)本發(fā)明上述目的所采用的技術(shù)方案為：

一種制備納米結(jié)構(gòu)鋯酸鑭粉體的方法，所述制備方法包括以下步驟：

(1)、制備醋酸固化物：將鋯離子溶液溶于冰乙酸溶劑中，得到溶液A，溶液A中鋯離子的濃度為0.1～0.5mol/L，然后將醋酸鑭粉末加入到溶液A中，形成混合溶液B，混合溶液B中鑭離子濃度為0.1～0.5mol/L，將混合溶液B快速攪拌直至溶液發(fā)生固化，形成固化醋酸物；

(2)、冷凍干燥除溶劑：將固化醋酸物在冷凍干燥機中凍干5～24h，制得充分分散的前軀體粉末；

(3)、粉末的熱處理：將上步驟中得到的前軀體粉末置于1100～1400℃溫度下熱處理1～5h，即可制得純相的燒綠石結(jié)構(gòu)的鋯酸鑭粉體，其晶粒尺寸為50～200nm。

步驟(1)中所述的鋯離子溶液為氯氧化鋯、醋酸鋯溶液或硝酸鋯。

混合溶液B中鑭離子與鋯離子的摩爾比為1：1。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：1、通過醋酸物前驅(qū)體直接制備納米結(jié)構(gòu)鋯酸鑭粉體，成本低，所需設(shè)備簡單，便于大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。

2、采用冷凍干燥技術(shù)，使工藝簡單，效率高，去除溶劑后可以保留前驅(qū)體材料的空間結(jié)構(gòu)，使粉體分散性良好，保證了產(chǎn)品高比表面積和一定的表面活性。

3、熱處理過程中升溫至500℃左右的階段是醋酸物的分解燃燒過程，在此過程中醋酸完全分解后不殘留雜質(zhì)，保證了產(chǎn)品的高純度。

4、通過改變合成方法，可有效降低鋯酸鑭的煅燒溫度，與傳統(tǒng)的高溫固相法相比，可以降低煅燒溫度300～500℃，有效的節(jié)約了能耗。

該制備方法獲得的鋯酸鑭粉體經(jīng)過造粒后可滿足于等離子體噴涂、火焰噴涂、電弧噴涂等熱噴涂工藝需求，用于制備各種抗高溫熱障涂層或抗高溫、耐磨耗、耐腐蝕涂層。應用于航空航天、燃氣輪機、船舶、汽車、機械、化工等行業(yè)。

附圖說明

圖1本發(fā)明提供的納米結(jié)構(gòu)鋯酸鑭粉體的制備方法的工藝流程圖；

圖2本發(fā)明實施例2、3、4、5中提供的鋯酸鑭非晶粉體熱處理后的粉體的XRD圖譜；

圖3本發(fā)明實施例6中提供的鋯酸鑭粉體掃描電鏡圖；

圖4本發(fā)明實施例7中提供的鋯酸鑭粉體掃描電鏡圖。

具體實施方式

為讓本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉實施例，并配合所附圖作詳細說明。

本發(fā)明所制備的納米結(jié)構(gòu)鋯酸鑭粉體的化學式為La₂Zr₂O₇，為單一燒綠石晶相，如圖1所示，納米結(jié)構(gòu)鋯酸鑭粉體的制備方法的步驟如下：

(1)將鋯離子溶液溶于冰乙酸，得到溶液A，其中鋯離子的濃度為0.1mol/L～0.5mol/L，取一定質(zhì)量的醋酸鑭粉體加入到攪拌均勻的溶液A中，形成混合溶液B，其中鑭離子與鋯離子摩爾比為1：1，經(jīng)劇烈攪拌20～60min溶液發(fā)生固化，形成固化醋酸物；

(2)將固化醋酸物在冷凍干燥機中凍干5～24h，得到分散性好的前驅(qū)體粉體，固含量為4％～20％(重量)；

(3)將冷凍干燥后的粉體于1100～1400℃進行1～5h的熱處理，即可得到純相的燒綠石結(jié)構(gòu)的鋯酸鑭粉體。

下面結(jié)合實施例進一步闡明本發(fā)明的內(nèi)容，但本發(fā)明的內(nèi)容不僅僅局限于下面的實施例。

實施例1：

1)制備醋酸固化物：將硝酸鋯溶液溶于冰乙酸，得到溶液A，其中鋯離子的濃度為0.3mol/L，取一定質(zhì)量的醋酸鑭粉體加入到攪拌均勻的溶液A中，形成混合溶液B，其中鑭離子與鋯離子摩爾比為1：1，經(jīng)劇烈攪拌30min溶液發(fā)生固化，形成固化醋酸物；

2)冷凍干燥除溶劑：將固化醋酸物在冷凍干燥機中凍干10h，得到分散性很好的前驅(qū)體粉體，固含量為12％(重量)；

3)粉體的熱處理：將冷凍干燥后的粉體于1400℃進行1h的熱處理，即可得到純相的燒綠石結(jié)構(gòu)的鋯酸鑭粉體。

4)檢測其熱導率性能，常溫熱導率和熱擴散系數(shù)分別為1.58W/m·K和0.78×10^-6m²/s，在1450℃下的熱導率和熱擴散系數(shù)分別為0.89W/m·K和0.29×10^-6m²/s。

實施例2：

1)制備醋酸固化物：將硝酸鋯溶液溶于冰乙酸，得到溶液A，其中鋯離子的濃度為0.3mol/L，取一定質(zhì)量的醋酸鑭粉體加入到攪拌均勻的溶液A中，形成混合溶液B，其中鑭離子與鋯離子摩爾比為1：1，經(jīng)劇烈攪拌30min溶液發(fā)生固化，形成固化醋酸物；

2)冷凍干燥除溶劑：將固化醋酸物在冷凍干燥機中凍干10h，得到分散性很好的前驅(qū)體粉體，固含量約為12％(重量)；

3)粉體的熱處理：將冷凍干燥后的粉體于1400℃進行5h的熱處理，即可得到純相的燒綠石結(jié)構(gòu)的鋯酸鑭粉體，其物相檢測結(jié)果如圖2所示，證明其為純燒綠石結(jié)構(gòu)。

實施例3：

1)制備醋酸固化物：將硝酸鋯溶液溶于冰乙酸，得到溶液A，其中鋯離子的濃度為0.2mol/L，取一定質(zhì)量的醋酸鑭粉體加入到攪拌均勻的溶液A中，形成混合溶液B，其中鑭離子與鋯離子摩爾比為1：1，經(jīng)劇烈攪拌40min溶液發(fā)生固化，形成固化醋酸物；

2)冷凍干燥除溶劑：將固化醋酸物在冷凍干燥機中凍干15h，得到分散性很好的前驅(qū)體粉體，固含量約為8％(重量)；

3)粉體的熱處理：將冷凍干燥后的粉體于1300℃進行2h的熱處理，即可得到純相的燒綠石結(jié)構(gòu)的鋯酸鑭粉，末其物相檢測結(jié)果如圖2所示，證明其為純燒綠石結(jié)構(gòu)。

實施例4：

1)制備醋酸固化物：將硝酸鋯溶液溶于冰乙酸，得到溶液A，其中鋯離子的濃度為0.1mol/L，取一定質(zhì)量的醋酸鑭粉體加入到攪拌均勻的溶液A中，形成混合溶液B，其中鑭離子與鋯離子摩爾比為1：1，經(jīng)劇烈攪拌60min溶液發(fā)生固化，形成固化醋酸物；

2)冷凍干燥除溶劑：將固化醋酸物在冷凍干燥機中凍干24h，得到分散性很好的前驅(qū)體粉體，固含量約為4％(重量)；

3)粉體的熱處理：將冷凍干燥后的粉體于1200℃進行3h的熱處理，即可得到純相的燒綠石結(jié)構(gòu)的鋯酸鑭粉體，末其物相檢測結(jié)果如圖2所示，證明其為純燒綠石結(jié)構(gòu)。

實施例5：

1)制備醋酸固化物：將硝酸鋯溶液溶于冰乙酸，得到溶液A，其中鋯離子的濃度為0.5mol/L，取一定質(zhì)量的醋酸鑭粉體加入到攪拌均勻的溶液A中，形成混合溶液B，其中鑭離子與鋯離子摩爾比為1：1，經(jīng)劇烈攪拌20min溶液發(fā)生固化，形成固化醋酸物；

2)冷凍干燥除溶劑：將固化醋酸物在冷凍干燥機中凍干5h，得到分散性很好的前驅(qū)體粉體，固含量約為20％(重量)；

3)粉體的熱處理：將冷凍干燥后的粉體于1100℃進行5h的熱處理，即可得到純相的燒綠石結(jié)構(gòu)的鋯酸鑭粉體，末其物相檢測結(jié)果如圖2所示，證明其為純燒綠石結(jié)構(gòu)。

實施例6：

1)制備醋酸固化物：將醋酸鋯溶液溶于冰乙酸，得到溶液A，其中鋯離子的濃度為0.5mol/L，取一定質(zhì)量的醋酸鑭粉體加入到攪拌均勻的溶液A中，形成混合溶液B，其中鑭離子與鋯離子摩爾比為1：1，經(jīng)劇烈攪拌30min溶液發(fā)生固化，形成固化醋酸物；

2)冷凍干燥除溶劑：將固化醋酸物在冷凍干燥機中凍干5h，得到分散性很好的前驅(qū)體粉體，固含量約為20％(重量)；

3)粉體的熱處理：將冷凍干燥后的粉體于1200℃進行5h的熱處理，即可得到純相的燒綠石結(jié)構(gòu)的鋯酸鑭粉體，粉體的掃描電鏡圖片如圖3所示，可以發(fā)現(xiàn)其平均晶粒尺寸約為120nm。

實施例7：

1)制備醋酸固化物：將氯氧化鋯溶液溶于冰乙酸，得到溶液A，其中鋯離子的濃度為0.5mol/L，取一定質(zhì)量的醋酸鑭粉體加入到攪拌均勻的溶液A中，形成混合溶液B，其中鑭離子與鋯離子摩爾比為1：1，經(jīng)劇烈攪拌40min溶液發(fā)生固化，形成固化醋酸物；

2)冷凍干燥除溶劑：將固化醋酸物在冷凍干燥機中凍干5h，得到分散性很好的前驅(qū)體粉體，固含量約為20％(重量)；

3)粉體的熱處理：將冷凍干燥后的粉體于1300℃進行5h的熱處理，即可得到純相的燒綠石結(jié)構(gòu)的鋯酸鑭粉體，粉體的掃描電鏡圖片如圖4所示，可以發(fā)現(xiàn)其平均晶粒尺寸約為150nm。

當然，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以通過調(diào)節(jié)各工藝參數(shù)，來制備鋯酸鑭納米結(jié)構(gòu)粉體，例如通過調(diào)節(jié)步驟1)中離子濃度，來控制所得產(chǎn)物鋯酸鑭粉體的粒度范圍，還可以改變煅燒保溫的時間或溫度，控制煅燒過程中晶粒的成長，等等，諸如此類，可以不脫離本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思的情況下對本發(fā)明進行各種改動和變形。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明創(chuàng)造構(gòu)思的前提下，還可以做出若干改進和變換，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。