一种锆钽复合稀土基多孔高熵陶瓷及其制备方法与流程

1.本发明属于高熵陶瓷材料技术领域，具体而言，涉及一种锆钽复合稀土基多孔高熵陶瓷及其制备方法。


背景技术：

2.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。
3.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。


技术实现要素：

4.本发明旨在提供一种锆钽复合稀土基多孔高熵陶瓷及其制备方法，满足了材料在更苛刻环境下的屏蔽性能和隔热保温性能。
5.为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种锆钽复合稀土基多孔高熵陶瓷，其特征在于，具有以下化学通式：(mzrez/thz)2(zr
x
tay)2o7，其中，m选自稀土元素sm、eu、ce、gd、er和tm中的至少三种；re选自稀土元素sm、eu、ce、gd、er和tm中的一种且不与稀土元素m相同；x≥0.5，y≤0.5，z＝0.25，x y＝1，稀土元素m、re/th的物质的量与zr、ta两种元素的物质的量之比为1:1。
6.根据本发明，(mzrez/thz)2(zr
x
tay)2o7，其中，m选自稀土元素sm、eu、ce、gd、er和tm中的至少三种；re选自稀土元素sm、eu、ce、gd、er和tm中的一种且不与稀土元素m相同；x：y＝(0.6～0.9):(0.4～0.1)，z＝0.25，x y＝1，稀土元素m、re/th的物质的量与zr、ta两种元素的物质的量之比为1:1。
7.根据本发明，m选自三种稀土元素sm、eu和gd的组合。优选地，锆钽复合稀土基多孔高熵陶瓷的化学通式为(sm
0.25
eu
0.25
gd
0.25
re/th
0.25
)2(zr
x
tay)2o7；re选自稀土元素ce、er和tm中的一种。
8.根据本发明，锆钽复合稀土基多孔高熵陶瓷的结构式为(ce
0.25
gd
0.25
er
0.25
tm
0.25
)2(zr
0.8
ta
0.2
)2o7、(sm
0.25
eu
0.25
gd
0.25
th
0.25
)2(zr
0.8 ta
0.2
)2o7、(ce
0.25
gd
0.25
er
0.25
tm
0.25
)2(zr
0.9
ta
0.1
)2o7、(la
0.25
eu
0.25
gd
0.25
th
0.25
)2(zr
0.8 ta
0.2
)2o7、(la
0.25
eu
0.25
gd
0.25
yb
0.25
)2(zr
0.7 ta
0.3
)2o7、(la
0.25
gd
0.25
er
0.25
yb
0.25
)2(zr
0.6 ta
0.4
)2o7、(gd
0.25
er
0.25
tm
0.25
yb
0.25
)2(zr
0.5
ta
0.5
)2o7、(sm
0.25
eu
0.25
gd
0.25
tm
0.25
)2(zr
0.9 ta
0.1
)2o7。
9.根据本发明，锆钽复合稀土基多孔高熵陶瓷的孔径为0.1～30μm；优选为0.5～5μm；更优选为0.5～1μm；例如可以为0.6μm。
10.根据本发明的另一方面，还提供了一种锆钽复合稀土基多孔高熵陶瓷的制备方法，包括以下步骤：
11.s1、称取原料zro2粉、ta2o5粉、稀土氧化物m2o3、re2o3粉混合，m选自稀土元素sm、eu、ce、gd、er、tm，re或la中的至少三种；re选自稀土元素sm、eu、ce、gd、er、tm，re或la中的一种且不与m相同；或者称取原料zro2粉、ta2o5粉、稀土氧化物m2o3粉、tho2粉混合，m选自稀土元素sm、eu、ce、gd、er、tm，re和la中的至少三种；将上述原料加入水后进行高能球磨，得到第一混合粉末；稀土元素m、re/th的物质的量之和与zr、ta两种元素的物质的量之和的比值为1:1；
12.s2、将第一混合粉末进行干燥处理，过筛，压块，得到第一致密胚体，将所述第一致密胚体烧结，得到高熵陶瓷，破碎后得到高熵陶瓷粉体；
13.s3、向高熵陶瓷粉体中加入成孔剂纤维素和水，高能球磨，得到第二混合粉末，经干燥，过筛，压块，得到第二致密胚体，将所述第二致密胚体烧结，得到多孔高熵陶瓷。
14.根据本发明，步骤s1中将原料放入氧化锆球磨罐中，加入zro2球磨球研磨至均匀；所述球磨球与原料的质量比为2:1～20:1，优选为2:1～10:1。优选地，zro2球磨球中大球、中球和小球的质量比为1:2:1。优选地，球磨转速为200-500rpm，球磨时间为6-24小时，球磨方式为每球磨2分钟后停止4分钟，正转反转依次轮换。
15.根据本发明，将第一混合粉末在60-90℃下干燥12-24小时，之后过100-200目筛子。优选地，所述步骤s2中压块的压力为200-400kn。优选地，步骤s2中将第一致密胚体以速率2-5℃/分钟升温至1200-1700℃，烧结2-24小时。优选地，所述步骤s2中使用碳化钨震动磨样机进行破碎，所述破碎的时间为5-30秒。
16.根据本发明，步骤s3中加入的成孔剂纤维素与所述高熵陶瓷粉体的质量比为0.1-0.5:1。优选地，步骤s3中将第二混合粉末在60-90℃下干燥12-24小时后，过50-200目筛。优选地，步骤s3中压块的压力为5-15mpa。优选地，将第二致密胚体在1200-1700℃下烧结2-24小时。
17.根据本发明，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，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，纤维素纳米晶的直径为5-20nm，长为50-200nm。优选地，纤维素粉粒径≤25μm。
18.本发明的有益效果：
19.本发明采用稀土元素进行掺杂，糅合了锆酸稀土基陶瓷和钽酸稀土基陶瓷的优点，充分结合了锆酸稀土基陶瓷的保温性能和钽酸稀土基陶瓷的屏蔽性能。采用固相合成法，合成的粉体晶粒小且分布均匀，利用纤维素造孔形成多孔陶瓷，进一步降低了材料的导热系数。本发明的制备工艺简单，纯度高，具有发展成大规模工业生产的潜力。
附图说明
20.图1为本发明制备锆钽复合稀土基多孔高熵陶瓷的技术路线图。
21.图2为实施例1和实施例3中合成的(ce
0.25
gd
0.25
er
0.25
tm
0.25
)2(zr
0.8
ta
0.2
)2o7、(ce
0.25
gd
0.25
er
0.25
tm
0.25
)2(zr
0.9
ta
0.1
)2o7高熵陶瓷粉体的xrd图谱。
22.图3为实施例1中合成的(ce
0.25
gd
0.25
er
0.25
tm
0.25
)2(zr
0.8
ta
0.2
)2o7高熵陶瓷的eds能谱元素分布图。
23.图4为实施例1中合成的(ce
0.25
gd
0.25
er
0.25
tm
0.25
)2(zr
0.8
ta
0.2
)2o7高熵陶瓷的sem图。
具体实施方式
24.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。
25.本发明提供了一种锆钽复合稀土基多孔高熵陶瓷，具有以下化学通式：(mzrez/thz)2(zr
x
tay)2o7，其中，m选自稀土元素sm、eu、ce、gd、er和tm中的至少三种；re选自稀土元素sm、eu、ce、gd、er和tm中的一种且不与稀土元素m相同；x≥0.5，y≤0.5，z＝0.25，x y＝1，稀土元素m、re/th的物质的量与zr、ta两种元素的物质的量之比为1:1。优选地，x:y＝(0.6～0.9):(0.4～0.1)。
26.根据本发明，m优选三种稀土元素sm、eu和gd的组合。其中sm、eu、gd三种元素仅为最佳组合，其他组合同样适用。本发明创造性地发现，稀土元素的热中子俘获截面积较大，尤其是钐、铕、钆三种元素的截面积最大，并且包含钐、铕、钆元素的多孔陶瓷在屏蔽性能方面表现优异，其他稀土元素明显热中子截面积要小些，但在屏蔽性能方面相比其他非稀土元素依然有很大的优势。当稀土元素掺杂锆酸盐后具有较低的导热率，高温下具有优异的稳定性和良好的耐烧结性，可作为保温材料使用。当稀土元素掺杂钽酸盐后具有非常好的热物理性能和机械性能，极低的高温热导率，同时，采用稀土元素如铈、钆、铥、铒四种具有优异屏蔽性能的稀土元素后，稀土锆酸盐和稀土钽酸盐具有非常好的耐辐照性能。稀土元素的k层吸收边随着原子序数的增加而增大，基本覆盖了pb的“弱吸收区”，因此，本发明选用稀土元素弥补传统pb材料的短板，并且稀土元素具有价电子覆盖空间大的优势，可通过增强康普顿效应的方式屏蔽中能γ射线。
27.优选地，锆钽复合稀土基多孔高熵陶瓷的化学通式为mzrez/thz)2(zr
x
tay)2o7，m选自稀土元素sc、y、la、ce、pr、nd、sm、eu、gd、dy、tb、er、tm、yb和lu中的至少三种；re选自sc、y、la、ce、pr、nd、sm、eu、gd、dy、tb、er、tm、yb和lu中的一种且不与m相同；x≥0.5，y≤0.5，z＝0.25，x y＝1，m、re/th与zr、ta物质的量之比为1:1。例如(ce
0.25
gd
0.25
er
0.25
tm
0.25
)2(zr
x
tay)2o7，(la
0.25
eu
0.25
gd
0.25
th
0.25
)2(zr
x
tay)2o7。具体地，锆钽复合稀土基多孔高熵陶瓷结构式可以为(ce
0.25
gd
0.25
er
0.25
tm
0.25
)2(zr
0.8
ta
0.2
)2o7、(sm
0.25
eu
0.25
gd
0.25
th
0.25
)2(zr
0.8
ta
0.2
)2o7、(ce
0.25
gd
0.25
er
0.25
tm
0.25
)2(zr
0.9
ta
0.1
)2o7、(la
0.25
eu
0.25
gd
0.25
th
0.25
)2(zr
0.8 ta
0.2
)2o7、(la
0.25
eu
0.25
gd
0.25
yb
0.25
)2(zr
0.7 ta
0.3
)2o7、(la
0.25
gd
0.25
er
0.25
yb
0.25
)2(zr
0.6 ta
0.4
)2o7、(gd
0.25
er
0.25
tm
0.25
yb
0.25
)2(zr
0.5
ta
0.5
)2o7、(sm
0.25
eu
0.25
gd
0.25
tm
0.25
)2(zr
0.9 ta
0.1
)2o7。
28.本发明中的re/th是指re元素或th元素，两者是择一的关系。
29.优选地，锆钽复合稀土基多孔高熵陶瓷的孔径为0.1～30μm；优选为0.5～5μm；更优选为0.5～1μm；例如可以为0.6μm。
30.根据本发明的另一方面，还提供了一种锆钽复合稀土基多孔高熵陶瓷的制备方法，包括以下步骤：s1、称取原料zro2粉、ta2o5粉、稀土氧化物m2o3、re2o3粉混合，m选自稀土元素sm、eu、ce、gd、er、tm，re或la中的至少三种；re选自稀土元素sm、eu、ce、gd、er、tm，re或la中的一种且不与m相同；或者称取原料zro2粉、ta2o5粉、稀土氧化物m2o3粉、tho2粉混合，m选自稀土元素sm、eu、ce、gd、er、tm，re和la中的至少三种。其中，稀土元素m、re/th的物质的量之和与zr、ta两种元素的物质的量之和的比值为1:1。
31.将上述原料加入水后放入氧化锆球磨罐中，加入zro2球磨球进行高能球磨，直至研磨均匀，得到第一混合粉末。优选地，球磨球与原料的质量比为2:1～20:1，更优选为2:1～10:1。zro2球磨球中大球、中球和小球的质量比为1:2:1。
32.s2、将上述得到的第一混合粉末进行干燥处理，过筛，压块，得到第一致密胚体，将第一致密胚体烧结，得到高熵陶瓷，破碎后得到高熵陶瓷粉体。其中，将第一混合粉末在60-90℃下干燥12-24小时，之后过100-200目筛子。优选地，此步骤中压块的压力为200-400kn。将第一致密胚体以速率2-5℃/分钟升温至1200-1700℃，烧结2-24小时，得到高熵陶瓷。之后使用碳化钨震动磨样机对高熵陶瓷破碎，破碎时间为5-30秒，得到高熵陶瓷粉体。
33.s3、向上述得到的高熵陶瓷粉体中加入成孔剂纤维素和水，优选成孔剂纤维素与高熵陶瓷粉体的质量比为0.1-0.5:1，之后转速200-500rpm下高能球磨6-24小时，球磨方式为每球磨2分钟后停止4分钟，正转反转依次轮换，球磨后得到第二混合粉末。将第二混合粉末在60-90℃下干燥12-24小时，过50-200目筛。过筛后优选在5-15mpa下压块，得到第二致密胚体，将第二致密胚体在1200-1700℃下烧结2-24小时，之后干燥，得到多孔高熵陶瓷。
34.优选地，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，纤维素纳米纤维的直径为4-10nm，长为1-3μm。更优选直径为4-8nm，长为1.5-2μm。优选地，纤维素纳米晶的直径为5-20nm，长为50-200nm。优选地，纤维素粉粒径≤25μm。
35.本发明是通过zro2粉、ta2o5粉和稀土氧化物粉如sm2o3粉、gd2o3粉、eu2o3粉、re2o3/tho2粉在高温下发生固相合成反应，直接生成高熵陶瓷，之后通过纤维素造孔得到多孔高熵陶瓷。
36.下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
37.下面实施例中所采用的ceo2粉、gd2o3粉、tm2o3粉、er2o3粉、zro2粉及ta2o5粉的纯度均≥99.99％。
38.实施例1
39.制备(ce
0.25
gd
0.25
er
0.25
tm
0.25
)2(zr
0.8
ta
0.2
)2o7多孔高熵陶瓷，包括以下步骤：
40.(1)分别称取4.3028g的ceo2粉、4.5313g的gd2o3粉、4.7815g的er2o3粉、4.8234g的tm2o3粉、9.8576g的zro2粉和4.4189g的ta2o5粉，置于容量为500ml的氧化锆球磨罐中，向球磨罐中加入30ml超纯水，15g的zro2大球、30g的zro2中球和15g的zro2小球(原料中ce、gd、tm和er的摩尔比为1：1：1：1，zr和ta的摩尔比为4:1，稀土元素的总摩尔量与zr和ta的总摩尔量相等，球磨球与原料的质量比接近2:1)。将球磨罐置于球磨机中以400rpm的转速球磨24h。球磨结束将得到的混合物置于80℃下干燥24小时，过200目标准筛。将过筛后的粉末置
于压块机中压块，压力设置为10mpa。将压好的块体放入马弗炉中烧结，升温速率2℃/min，于1500℃下保温24h。将保温后的块体置于碳化钨震动碎样机中，碎样时间设置为9s，从而得到(ce
0.25
gd
0.25
er
0.25
tm
0.25
)2(zr
0.8
ta
0.2
)2o7高熵陶瓷粉末。
41.(2)称取25g上述制备的(ce
0.25
gd
0.25
er
0.25
tm
0.25
)2(zr
0.8
ta
0.2
)2o7高熵陶瓷粉末和5g的纤维素粉末，加入到500ml的氧化锆球磨罐中，加入50ml的超纯水，15g的zro2大球、30g的zro2中球和15g的zro2小球。将球磨罐置于球磨机中以400rpm的转速球磨24h。球磨结束将得到的混合物置于80℃下干燥24h，并过100目标准筛，将过筛后的粉末置于压块机中压块，压力设置为10mpa。将块体放入马弗炉中烧结，升温速率2℃/min，于1600℃下保温12h，从而得到(ce
0.25
gd
0.25
er
0.25
tm
0.25
)2(zr
0.8
ta
0.2
)2o7多孔高熵陶瓷。
42.采用热常数测定方法或者标准测定多孔高熵陶瓷的耐隔热保温性能，其数值最低为0.52w/m
·
k。
43.图3为实施例1中合成的高熵陶瓷的eds能谱元素分布图，从中可以看出所有元素在颗粒中均匀分散，表明高熵陶瓷已经形成。
44.采用扫描电子显微镜测定方法或者标准测定多孔高熵陶瓷的孔径，数值约在0.5μm。图4为实施例1中合成的高熵陶瓷的sem图，可以看出为多孔结构，其孔径尺寸约为0.5μm。
45.实施例2
46.制备(sm
0.25
eu
0.25
gd
0.25
th
0.25
)2(zr
0.8
ta
0.2
)2o7多孔高熵陶瓷，包括如下步骤：
47.(1)分别称取4.3588g的sm2o3粉、4.3991g的eu2o3粉、4.5313g的gd2o3粉、6.6010g的tho2粉、9.8576g的zro2粉和4.4189g的ta2o5粉，置于容量为500ml的氧化锆球磨罐中，加入30ml超纯水、75g的zro2大球、150g的zro2中球和75g的zro2小球(原料中ce、gd、tm和er的摩尔比为1：1：1：1，zr和ta的摩尔比为4:1，稀土元素的总摩尔量与zr和ta的总摩尔量相等，磨球与原料的质量比接近10:1)。将球磨罐置于球磨机中以200rpm的转速球磨24h。球磨结束后将得到的混合物置于80℃下干燥24h，过200目标准筛，将过筛后的粉末置于压块机中压块，压力设置为15mpa。将块体放入马弗炉中烧结，升温速率2℃/min，于1600℃下保温12h。将保温后的块体置于碳化钨震动碎样机中，碎样时间设置为15s，从而得到(sm
0.25
eu
0.25
gd
0.25
th
0.25
)2(zr
0.8
ta
0.2
)2o7高熵陶瓷粉末。
48.(2)称取22.5g上述制备的(sm
0.25
eu
0.25
gd
0.25
th
0.25
)2(zr
0.8
ta
0.2
)2o7高熵陶瓷粉末和7.5g的纤维素粉末，加入到500ml的氧化锆球磨罐中，加入100ml的超纯水，75g的zro2大球、150g的zro2中球和75g的zro2小球。将球磨罐置于球磨机中以200rpm的转速球磨24h。将球磨结束得到的混合物置于80℃下干燥24h，并过100目标准筛，将过筛后的粉末置于压块机中压块，压力设置为15mpa。将块体放入马弗炉中烧结，升温速率2℃/min，于1600℃下保温12h，从而得到(sm
0.25
eu
0.25
gd
0.25
th
0.25
)2(zr
0.8
ta
0.2
)2o7多孔高熵陶瓷。
49.采用热常数测定方法或者标准测定多孔高熵陶瓷的耐隔热保温性能，其数值为0.23w/m
·
k。
50.采用扫描电子显微镜测定方法或者标准测定多孔高熵陶瓷的孔径，数值约为1μm。
51.实施例3
52.制备(ce
0.25
gd
0.25
er
0.25
tm
0.25
)2(zr
0.9
ta
0.1
)2o7多孔高熵陶瓷，包括如下步骤：
53.(1)分别称取4.3028g的ceo2粉、4.5313g的gd2o3粉、4.8234g的tm2o3粉、4.7815g的er2o3粉、11.0898g的zro2粉和2.2095g的ta2o5粉，置于容量为500ml的氧化锆球磨罐中，加入
30ml超纯水，75g的zro2大球、150g的zro2中球和75g的zro2小球(原料中ce、gd、tm和er的摩尔比为1：1：1：1，zr和ta的摩尔比为9:1，稀土元素的总摩尔量与zr和ta的总摩尔量相等，球磨球与原料的质量比接近10:1)。将该球磨罐置于球磨机中以200rpm的转速球磨24h。将球磨结束得到的混合物置于80℃下干燥24h，并过200目标准筛，将过筛后的粉末置于压块机中压块，压力设置为10mpa。将块体放入马弗炉中烧结，升温速率2℃/min，于1500℃下保温24h。将保温后的块体置于碳化钨震动碎样机中，碎样时间设置为10s，从而得到(ce
0.25
gd
0.25
er
0.25
tm
0.25
)2(zr
0.9
ta
0.1
)2o7高熵陶瓷粉末。
54.(2)称取25.0g上述制备的(ce
0.25
gd
0.25
er
0.25
tm
0.25
)2(zr
0.9
ta
0.1
)2o7高熵陶瓷粉末和5g的纤维素粉末，并加入到500ml的氧化锆球磨罐中，加入50ml的超纯水，15g的zro2大球、30g的zro2中球和15g的zro2小球。将球磨罐置于球磨机中以400rpm的转速球磨24h。将球磨结束得到的混合物置于80℃下干燥24h，过100目标准筛，将过筛后的粉末置于压块机中压块，压力设置为10mpa。将块体放入马弗炉中烧结，升温速率2℃/min，于1500℃下保温6h，从而得到(ce
0.25
gd
0.25
er
0.25
tm
0.25
)2(zr
0.9
ta
0.1
)2o7多孔高熵陶瓷。
55.采用热常数测定方法或者标准测定多孔高熵陶瓷的耐隔热保温性能，其数值为0.55w/m
·
k。
56.采用扫描电子显微镜方法或者标准测定多孔高熵陶瓷的孔径，数值为0.6μm。
57.图2为实施例1和实施例3中制备的高熵陶瓷粉体的xrd图谱，从中可以看出已经合成的陶瓷属于缺陷型萤石结构，无第二相出现，表明各种氧化物已经形成了固溶体，形成了高熵陶瓷。
58.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。