La2Zr2O7結(jié)構(gòu)調(diào)控及其大塊陶瓷材料的制備研究.pdf

1、與傳統(tǒng)ZrO2、 Al2O3陶瓷基隔熱材料相比，稀土鋯酸鹽陶瓷因其復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)、高熔點(diǎn)(＞2000℃)、高化學(xué)穩(wěn)定性、高熱穩(wěn)定性和低熱導(dǎo)率等特點(diǎn)，在航天飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)、催化劑和放射性核廢料后處理等領(lǐng)域引起了廣泛的關(guān)注。
　　本文針對(duì)航天飛行器超高溫?zé)岱雷o(hù)系統(tǒng)對(duì)隔熱陶瓷隔熱性能與力學(xué)強(qiáng)度的需求，通過稀土摻雜、添加第二相組元等手段來制備出不同結(jié)構(gòu)形態(tài)和性能特點(diǎn)的La2Zr2O7陶瓷，完成La2Zr2O7陶瓷熱導(dǎo)率與力學(xué)強(qiáng)度等關(guān)聯(lián)規(guī)

2、律的研究，從而制備出熱導(dǎo)率更低、力學(xué)強(qiáng)度更高的La2Zr2O7陶瓷。在上述關(guān)聯(lián)規(guī)律研究的基礎(chǔ)上，再利用熱壓燒結(jié)法來制備出工程用大塊La2Zr2O7陶瓷，以滿足熱防護(hù)系統(tǒng)對(duì)隔熱材料的隔熱承載要求。
　　本研究首先對(duì)(LaGd) Zr2O7陶瓷Zr晶體學(xué)位置進(jìn)行Ce元素的替代摻雜，研究了不同摻雜量對(duì)(LaGd)(Zr2-mCem)O7陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)、熱導(dǎo)率和抗壓強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明:隨著Ce摻雜量的增加，(LaGd)(Zr2-mCem

3、)O7陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生有序-無序轉(zhuǎn)變，由有序的燒綠石（P相）型結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)變成無序的螢石(F)型結(jié)構(gòu)。(LaGd)(Zr1.4Ce0.6)O7陶瓷具有最佳的隔熱性能與力學(xué)強(qiáng)度，其熱導(dǎo)率為1.20 W·m-1·K-1、抗壓強(qiáng)度為680MPa，與La2Zr2O7陶瓷相比，其熱導(dǎo)率降低了20％、抗壓強(qiáng)度提高了200％。
　　其次，以BaTiO3納米顆粒為第二相添加物，研究了BaTiO3的含量對(duì)xBaTiO3/LZO復(fù)相陶瓷結(jié)構(gòu)與性能的影

4、響。研究表明:加入的BaTiO3不與La2Zr2O7陶瓷基體發(fā)生反應(yīng)，且適當(dāng)添加量的BaTiO3納米顆粒能夠在復(fù)相陶瓷基體的晶界處形成穩(wěn)定的第二相結(jié)構(gòu)。當(dāng)BaTiO3的體積分?jǐn)?shù)為15％時(shí)，(15vol％) BaTiO3/LZO復(fù)相陶瓷兼顧最低的熱導(dǎo)率和最高的力學(xué)強(qiáng)度，其熱導(dǎo)率1.04 W·m-1·K-1、抗壓強(qiáng)度為480MPa、抗彎強(qiáng)度為150 MPa，與純La2Zr2O7陶瓷相比，其熱導(dǎo)率降幅達(dá)30％、抗壓強(qiáng)度提高了110％、抗彎強(qiáng)度

5、提高了100％。
　　此外，以SiC納米顆粒為第二相添加物，研究了SiC的含量對(duì)ySiC/LZO復(fù)相陶瓷的結(jié)構(gòu)與性能的影響。研究表明:加入的SiC納米顆粒能夠在復(fù)相陶瓷的晶界處形成穩(wěn)定的第二相，但是部分SiC會(huì)發(fā)生氧化，形成一種特殊的氧基磷灰石相，而當(dāng)SiC的體積分?jǐn)?shù)超過15％時(shí)，復(fù)相陶瓷會(huì)發(fā)生熔融。當(dāng)SiC的體積分?jǐn)?shù)為10％時(shí)，(10 vol％) SiC/LZO復(fù)相陶瓷兼顧最低的熱導(dǎo)率和最高的力學(xué)強(qiáng)度，其熱導(dǎo)率為0.85 W·m

6、-1·K-1、抗壓強(qiáng)度為360MPa、抗彎強(qiáng)度達(dá)170MPa，與純La2Zr2O7陶瓷相比，其熱導(dǎo)率降幅達(dá)40％、其抗壓強(qiáng)度提高了60％、抗彎強(qiáng)度提高了130％。
　　最后，利用熱壓燒結(jié)法來制備工程用大塊La2Zr2O7陶瓷，通過調(diào)控升降溫速率、燒結(jié)溫度、燒結(jié)時(shí)間和升降壓速率等工藝參數(shù)，解決了大塊陶瓷材料開裂難題。
　　結(jié)果表明:熱壓燒結(jié)法制備的鋯酸鑭陶瓷具有更高的致密度和抗壓強(qiáng)度，其致密度為98％、抗壓強(qiáng)度為700 MPa