[发明专利]稀土离子掺杂六铝酸盐高发射率材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及高发射率材料及其制备方法。

背景技术

耐高温金属材料在热结构部件和飞行器热防护系统中有着广泛的应用。金属材料的使用温度受到本身性质的制约，钛合金可以应用于650℃的环境；γ-TiAl合金能够承受870℃的高温；镍基高温合金的最高使用温度可以达到1000～1100℃。然而，现代航空航天以及军事工业技术的飞速发展使材料的服役环境更为苛刻。为了防止金属材料如镍基高温合金在高温下性能退化，其表面往往需要制备一层抗氧化、抗热震以及具有高发射率的多功能防护涂层，通过辐射散热的方式将大部分热量散失掉。

根据维恩位移定律，随着温度的增加，红外辐射的峰值波长向短波方向移动。由普朗克定律可以计算出，当黑体温度在1000℃时，约97％的辐射能集中在1～14μm波段。迄今为止，研究发现过渡金属氧化物体系和碳化硅及其陶瓷基复合材料在这一波段内具有较高的发射率。然而，过渡金属氧化物体系抗热冲击性较差；而碳化硅及其陶瓷基复合材料与耐高温金属材料存在热膨胀失配的问题，使得它在航空航天和军事工业等方面的应用受到限制。近年来，六铝酸盐材料引起了人们的广泛关注。它具有与耐高温金属材料相匹配的热膨胀系数以及较高的熔点和优异的高温热稳定性，这些性能使它足以胜任苛刻的高温环境，然而其热辐射性能尚未见报道。

发明内容

本发明目的是为了解决现有镍基高温合金表面防护涂层难以同时满足高发射率、抗热震和抗氧化的多功能要求的问题，而提供稀土离子掺杂六铝酸盐高发射率材料及其制备方法。

稀土离子掺杂六铝酸盐高发射率材料的化学式为La_1-xLn_xMgAl₁₁O₁₉，其中Ln＝Nd、Sm或Dy，0≤x≤1。

稀土离子掺杂六铝酸盐高发射率材料的制备方法按以下步骤实现：

一、将氧化物粉体A、MgO和Al₂O₃分别置于坩埚中，再将坩埚置于高温炉中，以100～300℃/h的升温速度升温至600～1000℃，保温1～4h后，以100～500℃/h的降温速度降至室温；

二、依照化学式La_1-xLn_xMgAl₁₁O₁₉，按化学计量比称取经步骤一处理后的氧化物粉体A、MgO和Al₂O₃，置于球磨瓶中，加入无水乙醇和磨球，湿磨混合均匀，得到混合物；

三、将步骤二得到的混合物烘干、过160～500目筛后，在10～40MPa的压力下冷压成型，再在100～400MPa下冷等静压，保压时间为3～10min，得到坯体；

四、将步骤五中得到的坯体在温度为1500～1700℃的条件下，烧结5～30h，即完成稀土离子掺杂六铝酸盐高发射率材料的制备；

其中步骤一中氧化物粉体A为La₂O₃、Nd₂O₃、Sm₂O₃和Dy₂O₃中的一种或两种；

步骤二中化学式La_1-xLn_xMgAl₁₁O₁₉中Ln＝Nd、Sm或Dy，0≤x≤1；

步骤二中氧化物粉体A、MgO和Al₂O₃的总质量与无水乙醇的质量比为1∶(0.5～3)；

步骤二中氧化物粉体A、MgO和Al₂O₃的总质量与磨球的质量比为1∶(3～5)。

本发明的有益效果是：制备方法工艺简单、成本低以及适合于大批量生产。制得的La_1-xLn_xMgAl₁₁O₁₉在3～14μm整个波段内法向光谱发射率均大于0.7，在6～11μm波段接近于1.0，有利于应用于高超声速飞行器上外蒙皮的热防护涂层材料，可以同时满足高发射率、抗热震和抗氧化的多功能要求。

附图说明

图1是具体实施方式九中所得产物La_0.9Nd_0.1MgAl₁₁O₁₉陶瓷的X射线衍射(XRD)图谱；