一种热障涂层陶瓷材料及其制备方法和热障涂层

本技术属于功能材料，具体涉及一种热障涂层陶瓷材料及其制备方法和热障涂层。

背景技术：

1、目前，为应对新一代超高推重比航空发动机及其他相关设备在极端高温环境的挑战，开发了一系列低辐射率热障涂层材料。当辐射传热取代对流成为主要传热方式时，传统高辐射率涂层会强烈吸收燃气热量并传入内部，导致金属基底温度超标及冷却系统负担过重。低辐射率涂层如同镜面，能高效反射而非吸收辐射热，减少热流入，从而降低基底温度、减少冷却空气消耗以提升发动机效率，同时通过降低涂层表面温度延缓热机械损伤，延长涂层寿命。有利于发动机实现更高工作温度与更高效率。

2、la1-xsrxmno3不仅具备低导热性，还具有良好的高温抗氧化能力，la1-xsrxmno3能在1200℃的复杂气氛中保持稳定，因而在高温功能涂层中受到广泛关注。目前，热障涂层领域应用最广泛的材料为8wt%氧化钇稳定氧化锆(ysz)，其凭借低热导率、高热膨胀系数及高韧性等综合优势成为行业首选。为进一步突破其性能上限，引入第二相构成复合体系成为重要研究方向。鉴于镧锶锰酸盐的优势，将其与氧化钇稳定氧化锆复合被视为一种极具潜力的强化路径，cn103693956a公开了一种ysz-lsm复合热障涂层材料及其制备方法，降低热障涂层材料的热导率，提高了抗烧结性能，但复合热障涂层的红外发射率较高。

3、在稀土掺杂改性热障涂层这一过程中，红外发射率的变化主要依赖于掺杂稀土元素所引入的点缺陷和其独特的电子跃迁机制。如y3+的氧空位散射机制，er3+的f-f跃迁增强辐射等，而这些元素掺杂大多致力于提升材料的辐射率，现有技术中关于热障涂层在高温环境下因红外辐射传热，导致基体过热、冷却负荷增加的技术缺陷，目前仍缺乏系统性研究。

4、因此，如何克服现有热障涂层在高温环境下因红外辐射传热导致基体过热、冷却负荷增加的技术缺陷，已成为目前亟待解决的问题。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本技术提供一种热障涂层陶瓷材料及其制备方法和热障涂层，通过在镧锶锰酸盐的la位点引入ce3+/ce4+离子，并将镧锶锰酸盐与氧化钇稳定氧化锆形成复合材料，优化热障涂层陶瓷材料在高温下的电子结构与光学性能，降低涂层表面温度，延缓热机械损伤，延长涂层寿命。

2、为达此目的，本技术采用以下技术方案：

3、第一方面，本技术提供了一种热障涂层陶瓷材料，所述热障涂层陶瓷材料包括复合材料，所述复合材料为镧锶锰酸盐和氧化钇稳定氧化锆的复合；

4、所述镧锶锰酸盐中掺杂有ce元素。

5、本技术通过在镧锶锰酸盐的la位点引入ce3+/ce4+离子，利用ce离子的变价特性与电荷转移吸收机制，优化热障涂层陶瓷材料在高温下的电子结构与光学性能，抑制了热障涂层陶瓷材料在700℃下于3μm~5μm中红外波段红外辐射能力。

6、在某些实施例中，所述镧锶锰酸盐的化学式为(la0.8-xcexsr0.2)mno3，其中x为0.1~0.7，例如可以是0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6或0.7，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。

7、在某些实施例中，所述复合材料中，镧锶锰酸盐的质量百分含量为1%~90%，例如可以是1%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%或90%，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用，优选为10%~20%。

8、在某些实施例中，所述氧化钇稳定氧化锆中，氧化钇的质量百分含量为6%~9%，例如可以是6%、7%、8%或9%，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。

9、第二方面，本技术提供了一种如第一方面所述热障涂层陶瓷材料的制备方法，所述制备方法为固相合成法，所述固相合成法包括如下步骤：

10、（1）按化学计量比称取la2o3、srco3、mno2、ceo2、y2o3与zro2，将称取的原料与无水乙醇混合，随后进行球磨混合；

11、（2）将步骤（1）球磨混合后得到的浆料干燥、过筛，得到混合粉体；

12、（3）将步骤（2）得到的混合粉体压制成生坯，随后将所得生坯进行冷等静压；

13、（4）将步骤（3）得到的冷等静压后的生坯进行预烧结，预烧结后随炉冷却，然后经球磨、干燥、过筛，得到所述热障涂层陶瓷材料。

14、在某些实施例中，步骤（1）所述的球磨混合中料球质量比为1:2~1:5，例如可以是1:2、1:3、1:4或1:5，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。

15、在某些实施例中，所述球磨混合的转速为400rpm~500rpm，例如可以是400rpm、450rpm或500rpm，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。

16、在某些实施例中，所述球磨混合的时间为6h~24h，例如可以是6h、8h、10h、12h、14h、16h、18h、20h、22h或24h，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。

17、在某些实施例中，步骤（3）所述的压制成生坯的压力为5mpa~10mpa，例如可以是5mpa、6mpa、7mpa、8mpa、9mpa或10mpa，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。

18、在某些实施例中，所述冷等静压的压力为200mpa~250mpa，例如可以是200mpa、210mpa、220mpa、230mpa、240mpa或250mpa，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。

19、在某些实施例中，所述压制生坯的压片机为单轴压片机。

20、在某些实施例中，步骤（4）所述预烧结包括依次进行的第一段加热与第二段加热；

21、所述第一段加热的升温速率为5℃/min~7℃/min，终点温度为1000℃~1100℃；

22、所述第二段加热的升温速率为2℃/min~4℃/min，终点温度为1200℃~1300℃，保温时间为10h~12h。

23、其中，第一段加热的升温速率为5℃/min~7℃/min，例如可以是5℃/min、6℃/min或7℃/min，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。

24、第一段加热的终点温度为1000℃~1100℃，例如可以是1000℃、1010℃、1020℃、1030℃、1040℃、1050℃、1060℃、1070℃、1080℃、1090℃或1100℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。

25、第二段加热的升温速率为2℃/min~4℃/min，例如可以是2℃/min、3℃/min或4℃/min，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。

26、第二段加热的终点温度为1200℃~1300℃，例如可以是1200℃、1210℃、1220℃、1230℃、1240℃、1250℃、1260℃、1270℃、1280℃、1290℃或1300℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。

27、第二段加热中达到终点温度后的保温时间为10h~12h，例如可以是10h、11h或12h，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。

28、在某些实施例中，所述预烧结在含氧气氛中进行，所述含氧气氛所用气体包括空气。

29、第三方面，本技术提供了一种热障涂层，所述热障涂层包括第一方面所述的热障涂层陶瓷材料，或包括第二方面所述的制备方法制备得到的热障涂层陶瓷材料。

30、第四方面，本技术还提供了第三方面所述热障涂层在航空发动机或燃气轮机高温部件热防护中的应用。

31、与现有技术相比，本技术至少具有以下有益效果：

32、（1）本技术通过在镧锶锰酸盐的la位点引入ce3+/ce4+离子，利用ce离子的变价特性与电荷转移吸收机制，优化热障涂层陶瓷材料在高温下的电子结构与光学性能，抑制了热障涂层陶瓷材料在700℃下于3μm~5μm中红外波段红外辐射能力。

33、（2）本技术提供的热障涂层陶瓷材料在高温条件下结构稳定，1200℃以下100次热循环后无相变、无开裂，比传统氧化钇稳定氧化锆涂层具有更长的热循环寿命，且可与现有热喷涂工艺很好地兼容，从而为航空发动机、燃气轮机等高温部件提供更高效的热防护与热管理解决方案。