[发明专利]一种耐烧蚀包覆锆基磷酸盐材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种耐烧蚀包覆锆基磷酸盐材料及其制备方法，属于耐烧蚀材料技术领域。将包含五氧化二磷、氧化铝、三氧化二铬在内的粉体原料和水混合，得到磷铝铬复盐溶液；将磷铝铬复盐溶液与氧化锆粉体经过研磨混合和固化成型，即得耐烧蚀包覆锆基磷酸盐材料。该材料具有优异的耐烧蚀性能和热稳定性能，能在烧蚀温度2400℃下长时间的烧蚀过程中保持样品完整，同时其制备工艺简单、周期短、安全性能高，有利于工业化生产。

技术领域

本发明涉及一种耐烧蚀材料，特别涉及一种耐烧蚀包覆锆基磷酸盐材料，还涉及一种耐烧蚀包覆锆基磷酸盐材料的制备方法，属于耐烧蚀材料技术领域。

背景技术

随着现代高超声速飞行器的不断发展，飞行器高超声速（大于5马赫）、高过载、大机动在极端环境中长时间飞行，复杂的气动加热和气动力环境将造成飞行器耐热结构部件表面的服役温度超过2000℃，从而给热防护系统（TPS）提出更加苛刻的要求与挑战。有效的热防护系统能为飞行器提供足够的保护，促使顺利完成各项探索任务；此外，为了稳定飞行，高超声速飞行器必须维持有效的气动布局，发展低烧蚀或零烧蚀的热防护系统。未来，在设计方面，高超声速飞行器的热防护系统和结构必须同时具备承载和防热的双重功能;在材料方面，应采用具有质量轻、韧性好、耐高温、强度高和较稳定等特点的材料，以满足实际的应用需求。因此，探索研究更为优异的热防护材料对超高声速飞行器技术的发展具有重要意义。

磷酸材料是近几十年迅速发展的耐高温材料体系之一，其通常是由特定液态磷酸盐和固化剂在一定温度下发生复杂的物理化学反应直至固化而得。磷酸盐材料因具有低温固化、优异的抗氧化性能和耐高温等性能而备受关注，并且已经成功应用于国防以及航天飞机等领域。中国发明专利CN108101015B公开了一种高熵磷酸盐、高温粘结剂及其制备方法与应用，其制备的高温粘结剂不仅具有优良的耐高温性能，并且在高温下内具有良好的粘结、附着以及腐蚀防护性能。但是其高熵磷酸盐（通式为M_XH_YPO₄）金属元素中主要包含铝、钙、镁、锌四种金属离子，其M-O键能较低，所以只能够耐受1500℃高温。此外，中国专利CN113292350B和中国专利CN114716228B等公开的磷酸盐材料都需要在水浴锅中处理，制备条件苛刻、过程较为繁琐。

发明内容

针对现有技术的不足，为了提高磷酸盐材料整体的耐烧蚀性能和简化制备过程，本发明的第一个目的是在于提供一种耐烧蚀包覆锆基磷酸盐材料，该材料利用低温玻璃态磷酸盐粘连包覆锆基等磷酸盐的结构特点结合氧化锆（Zr-O键能339KJ）的高熔点特性，具有优异的耐烧蚀性能和热稳定性能。

本发明的第二个目的是在于提供一种耐烧蚀包覆锆基磷酸盐材料的制备方法，该制备方法具有工艺简单、原料便宜易得、制备周期短、制备条件简单等优点，有利于实现大规模工业化生产。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种耐烧蚀包覆锆基磷酸盐材料的制备方法，该方法是将包含五氧化二磷、氧化铝、三氧化二铬在内的粉体原料和水混合，得到磷铝铬复盐溶液；将磷铝铬复盐溶液与氧化锆粉体（ZrO₂）经过研磨混合和固化成型，即得。

本发明通过采用五氧化二磷与氧化铝及三氧化二铬反应可以得到不同物相的磷铝铬复盐溶液，随后混合磷铝铬复盐溶液与氧化锆粉体，通过控制两者的质量比和溶液的粘度，同时充分利用了在较低温度固化成型过程中样品表面可以形成较多的低温聚合物即“玻璃态”物相，因此玻璃态磷酸盐可以包覆在非玻璃态磷酸盐和氧化锆的混合颗粒表面，从而制备出具有特定物相组成和微观形貌特征的耐烧蚀包覆锆基磷酸盐材料。

作为一个优选的方案，所述五氧化二磷、氧化铝、三氧化二铬和水的摩尔比为2~4：1~2：1~2：5~10，进一步优选五氧化二磷、氧化铝、三氧化二铬和水的摩尔比2~3：1~1.5：1~1.5：6~8，在优选的范围内，溶液粘度可以处于适宜的范围，同时混合溶液的稳定性进一步得到提高。