[发明专利]一种高韧性无相变铌酸盐陶瓷及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高韧性无相变铌酸盐陶瓷及其制备方法，涉及高温结构陶瓷技术领域，其技术方案要点是：所述铌酸盐陶瓷由RENbO₄和RE₃NbO₇组成，其中RENbO₄的质量分数为60‑80％，而RE₃NbO₇的质量分数为20‑40％。通过成分设计和相关制备技术克服了RENbO₄陶瓷存在的低温相变、硬度低和杨氏模量不足的问题，同时解决了RE₃NbO₇陶瓷存在的断裂韧性差的问题。所制备的铌酸盐陶瓷具有断裂韧性高、硬度高、无相变和低热导率的特点，其在热障涂层、隔热防护涂层和抗腐蚀涂层等材料领域具有极大的应用前景。

技术领域

本发明涉及高温结构陶瓷技术领域，更具体地说，它涉及一种高韧性无相变铌酸盐陶瓷及其制备方法。

背景技术

稀土铌酸盐RENbO₄和RE₃NbO₇陶瓷作为新型的超高温隔热耐磨防护陶瓷材料目前已经被大量研究，其应用范围包括热障涂层、环境障涂层、耐酸碱涂层和耐冲击烧蚀涂层等各个方面。稀土铌酸盐作为热障涂层应有具有热导率低、热膨胀系数与基体匹配、力学性能优异和抗高温水蒸气侵蚀等优点，但是这两种铌酸盐陶瓷均具有一定缺点，限制了其实际应用。如RENbO₄陶瓷在400-900℃的温度范围内会发生相变，导致材料的热膨胀系数发生突变从而在高温应用过程中失效，同时这类材料具有硬度低(4-7GPA)和杨氏模量低(80-120GPA)的问题，还难以直接作为高温结构材料使用。RE₃NbO₇陶瓷则具有极低的断裂韧性(0.5-1.5MPV.m1/2)在使用过程中容易剥落失效，因此如何克服上述两类陶瓷材料的缺点并实现应用是目前的关键。

发明内容

本发明的目的是提供一种高韧性无相变铌酸盐陶瓷及其制备方法，解决了当前稀土铌酸盐陶瓷RENbO₄和RE₃NbO₇存在的断裂韧性差、力学性质不足，在400-900℃的温度范围内会发生相变的缺点，有效的改善了材料的热学和力学性质，进一步提高了材料在不同领域的应用价值。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种高韧性无相变铌酸盐陶瓷，所述铌酸盐陶瓷由RENbO₄和RE₃NbO₇组成，其中RENbO₄的质量分数为60-80％，RE₃NbO₇的质量分数为20-40％。

本方案的技术原理和效果在于：铌酸盐陶瓷中RENbO₄和RE₃NbO₇的同时存在，相互制约了原子的移动和相变的发生，当RENbO₄的质量分数在本发明方案的范围内时，其相变被临近的RE₃NbO₇晶粒所制约，而RE₃NbO₇本身无相变。铌酸盐陶瓷RENbO₄的晶粒与晶粒之间结合强度低通常裂纹通过晶界进行扩展和传播，而RE₃NbO₇的加入有效提高了晶粒之间的结合强度，使得材料的裂纹断裂和扩展机制从沿晶断裂向穿晶断裂转变，有效的消耗了断裂能；此外，晶界结合强度的提高使得材料中出现细小裂纹进一步缓解了应力集中从而提高了材料的断裂韧性。在本方案的探究过程中发现，当TmNbO₄陶瓷含量过高或者过低，所制备陶瓷涂层材料均存在硬度低、杨氏模量差的问题。

进一步，所述RE为稀土元素Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu和Y中的一种，并且RENbO₄和RE₃NbO₇中所使用的稀土元素相同。