一种耐烧蚀包覆锆基磷酸盐材料及其制备方法

摘要

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。

权利要求

1.一种耐烧蚀包覆锆基磷酸盐材料的制备方法，其特征在于：将五氧化二磷、氧化铝和三氧化二铬粉体原料和水混合，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；

所述固化成型的条件为：温度为70 80℃，时间为1 2h；

~ ~

所述磷铝铬复盐溶液与氧化锆粉体的质量比为1 1.5：1 3；

~ ~

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。

~ ~ ~ ~

2.根据权利要求1所述的一种耐烧蚀包覆锆基磷酸盐材料的制备方法，其特征在于：所述磷铝铬复盐溶液与氧化锆粉体研磨至溶液粘度为6.5 10.8 Pas。

~

3.根据权利要求1或2所述的一种耐烧蚀包覆锆基磷酸盐材料的制备方法，其特征在于：所述研磨混合的时间为5 10min。

~

4.一种耐烧蚀包覆锆基磷酸盐材料，其特征在于：由权利要求1 3任一项所述的制备方~法制得。

5.根据权利要求4所述的一种耐烧蚀包覆锆基磷酸盐材料，其特征在于：所述耐烧蚀包覆锆基磷酸盐材料由玻璃态磷酸盐包覆磷酸锆、氧化锆和磷酸铝构成。

6.根据权利要求5所述的一种耐烧蚀包覆锆基磷酸盐材料，其特征在于：所述玻璃态磷酸盐、磷酸锆和磷酸铝的总质量与磷酸锆和氧化锆的总质量比为1 2：3 4。

~ ~

7.根据权利要求4 6任一项所述的一种耐烧蚀包覆锆基磷酸盐材料，其特征在于：所述~3

耐烧蚀包覆锆基磷酸盐材料的密度为1.5 2g/cm。

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说明书

一种耐烧蚀包覆锆基磷酸盐材料及其制备方法

技术领域

[0001] 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

[0002] 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。

[0003] 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MXHYPO4）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

[0004] 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。

[0005] 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。

[0006] 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。

[0007] 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。

[0008] 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。

[0009] 作为一个优选的方案，所述五氧化二磷、氧化铝、三氧化二铬和水混合时采用搅拌的方式，搅拌温度为室温，搅拌时间为0.4 0.6h。~

[0010] 作为一个优选的方案，所述磷铝铬复盐溶液与ZrO2粉体的质量比为1~1.5：1~3。若ZrO2粉体的质量过高，磷铝铬复盐溶液混合ZrO2粉体时会出现混合不均匀、粉体团聚等现象；相反若ZrO2粉体过少，则磷铝铬复盐溶液混合ZrO2后体系粘度较低，导致固化时间延长，并且影响后续所制备的锆基磷酸盐材料的耐高温等性能。

[0011] 作为一个优选的方案，所述磷铝铬复盐溶液与ZrO2粉体研磨至溶液粘度为6.5~10.8 Pas。粘度对固化时间有直接并且较大的影响，粘度对于材料性能的影响主要体现在粘度较低时说明体系中存在较多的水相，烘箱固化相同的时间后材料内部会存在更多的结合水等易挥发的物相，比如Al6(PO4)2(PO3OH)2(OH)8在热处理的过程中容易失去水形成AlPO4，这种结合水以及易挥发物相的存在对材料力学等性能有较大的影响；相反粘度较高，浆体的流动性较差，在从研钵倒入模具过程中会出现不可避免的内部空隙，很难通过简单的振荡进行排出，固化后材料内部的空隙会对材料力学等性能造成一定的影响。

[0012] 作为一个优选的方案，所述研磨混合的时间为5 10min，研磨的温度为室温，本发~明使用研钵研磨的目的在于，第一使粉料和磷铝铬复盐溶液混合更加均匀，第二是避免粉体团聚，利用研磨可以很好的解决粉料团聚问题，而自动搅拌器搅拌力度和搅拌能力有限。

[0013] 作为一个优选的方案，浆料倒入模具震荡排气，振荡次数在10 20次即可，固化温~度在70 80℃，进一步优化固化温度75 80℃，固化时间在1 2h，进一步优化固化时间为1~ ~ ~ ~
1.5h。本发明的固化温度较低，可以在材料表面形成较多低温聚合物即出现较多的“玻璃态磷酸盐”物相，从而起到黏结的作用。若固化温度过低很难在短时间内固化或者无法实现固化；而固化温度过高一方面会增加能耗，另一方面耐烧蚀包覆锆基磷酸盐材料表面会出现固化裂纹等缺陷。本发明还提供了一种由上述制备方法得到的耐烧蚀包覆锆基磷酸盐材料，该材料是由玻璃态磷酸盐包覆磷酸锆、氧化锆和磷酸铝构成。

[0014] 本发明提供的耐烧蚀包覆锆基磷酸盐材料，具有特定的物相组成和微观形貌特征，其中玻璃态磷酸盐中由于存在结晶度低的铝铬复盐，该磷铝铬复盐和ZrO2粉体等材料混合时会发生离子键等混合键合，因此具有高粘接性能，可以充作粘结剂包覆连接磷酸铝（AlPO4）、磷酸锆（ZrP）以及ZrO2粉体和磷酸盐从而形成紧密的块体材料。该磷酸盐材料能耐超高温烧蚀的原理在于：当材料经受高温烧蚀时，包覆在锆基表面的玻璃态磷酸盐首先发生分解消融和物相转变（如Al(PO4)2(PO3OH)2(OH)8在升温的过程中，会发生脱水形成AlPO4），然后使ZrO2裸漏在烧蚀面，而ZrO2的熔点高达2700℃，利用ZrO2的高温稳定性可以阻挡烧蚀的进一步发生，并且材料中含有的AlPO4和ZrP等物质在高温烧蚀过程中会发生一定熔融现象，熔融后的物相可以很好的固定ZrO2颗粒物，一方面进一步提高了材料的抗烧蚀性能，另一方面还能提高材料的热稳定性。综上，本发明是通过AlPO4和ZrP和ZrO2以及玻璃态磷酸盐的协同作用下，实现了材料的整体高烧蚀性能和优异的稳定性。

[0015] 作为一个优选的方案，所述玻璃态磷酸盐、磷酸锆和磷酸铝的总质量与磷酸锆+氧化锆的总质量比为1 2：3 4。在上述范围内各个组分能混合得更加均匀，可以获得各项性能~ ~优异的包覆锆基磷酸盐材料，若磷酸盐相的总质量（玻璃态磷酸盐、磷酸锆和磷酸铝统称为磷酸盐相）较高，由于磷酸盐相的熔点较ZrO2低，所以制备的锆基磷酸盐材料很难抵挡高温烧蚀；相反磷酸盐相过低，很难起到粘结ZrO2等粉料的目的，进而使材料出现容易粉化等破坏现象。进一步优选为1 1.2：2.5 4。
~ ~

[0016] 作为一个优选的方案，所述玻璃态磷酸盐包括结晶度低的磷酸铝及其水合物、磷酸锆及其水合物中的至少一种。本发明所采用的玻璃态磷酸盐含有铝铬复盐，充分利用了铝铬复盐具有高粘结性，能有效粘结Zr‑O键能较高的ZrO2粉体，且采用磷酸铝和磷酸锆不会向体系中引入其他杂质。

[0017] 作为一个优选的方案，所述耐烧蚀包覆锆基磷酸盐材料的密度为1.5 2g/cm3。~

[0018] 与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

[0019] 1）本发明提供的耐烧蚀包覆锆基磷酸盐材料，具有优异的抗氧化和高温稳定性，经过马弗炉1700℃，5 6h的烧蚀处理，样品没有发生明显的收缩现象，且质量变化率在0.1g~内。

[0020] 2）本发明提供的耐烧蚀包覆锆基磷酸盐材料充分利用了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，具有优异的抗烧蚀性能，能在烧蚀温度2400℃长时间的烧蚀过程中保持样品完整。

[0021] 3）本发明提供的耐烧蚀包覆锆基磷酸盐材料的制备方法，制备周期短（不包括烘箱固化时间）仅为0.6 0.7h，且工艺简单，制备过程不需要水浴锅加热等设备，原料便宜易~得。

[0022] 4）本发明提供的耐烧蚀包覆锆基磷酸盐材料的制备方法中磷铬铝复盐混合ZrO2研磨的过程中，没有明显的放热现象或放热量较少，可以很好确保实验安全性。

附图说明

[0023] 图1实施例1制备的耐烧蚀包覆锆基磷酸盐材料的实物图片。

[0024] 图2是实施例1制备的耐烧蚀包覆锆基磷酸盐材料在室温到1400℃的TG‑DSC数据。

[0025] 图3是实施例2固化后的耐烧蚀包覆锆基磷酸盐材料的XRD图谱。

[0026] 图4是实施例2室温固化后的耐烧蚀包覆锆基磷酸盐材料的微观形貌图。

[0027] 图5是实施例2制备的耐烧蚀包覆锆基磷酸盐材料1700℃处理6h前后样品实物照片，图（a）为80℃固化时的耐烧蚀包覆锆基磷酸盐材料的实物照片，即1700℃处理6h前的耐烧蚀包覆锆基磷酸盐材料实物照片，图（b）为耐烧蚀包覆锆基磷酸盐材料1700℃处理6h后的实物照片。

[0028] 图6是实施例2制备的耐烧蚀包覆锆基磷酸盐材料1700℃处理6h后的微观形貌图。

[0029] 图7是实施例2制备的耐烧蚀包覆锆基磷酸盐材料室温到1400℃的TG‑DSC数据。

[0030] 图8是实施例2制备的耐烧蚀包覆锆基磷酸盐材料2400℃烧蚀120s后的微观形貌图。

具体实施方式

[0031] 为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明内容进行详细描述，但是应当理解，这些实施例是在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制，本发明的保护范围也不限于下述的实施例。

[0032] 实施例1

[0033] 称取0.2mol的五氧化二磷、0.1mol的氧化铝和0.1mol的三氧化二铬添加到装有1mol去离子水的烧杯中，室温搅拌0.5h，最后形成暗绿色的粘性液体。最后将上述磷铝铬复盐溶液倒入装有ZrO2的研钵，其中磷铝铬复盐溶液与ZrO2粉体的质量比为1：3，之后在室温下研磨搅拌5min，直至混合均匀，没有明显的颗粒感，粘度在6.5 10.8Pas，倒入模具振荡后~
放进80℃烘箱固化1.5h成型，即得耐烧蚀包覆锆基磷酸盐材料。耐烧蚀包覆锆基磷酸盐材
3
料的密度为1.71g/cm。通过图1宏观形貌可以看出固化后样品表面较为平整且没有明显的缺陷，对其进行TG‑DSC测试图2数据可以明显的得到其热稳定性特别突出，室温到1400℃的处理过程中其质量损失率在2.5%内。

[0034] 实施例2

[0035] 称取0.2mol的五氧化二磷、0.1mol的氧化铝和0.1mol的三氧化二铬添加到装有1mol去离子水的烧杯中，室温搅拌0.5h，最后形成暗绿色的粘性液体。最后将上述磷铝铬复盐溶液倒入装有ZrO2的研钵，其中磷铝铬复盐溶液与ZrO2粉体的质量比为1：2，之后在室温下研磨搅拌5min，直至混合均匀，没有明显的颗粒感，粘度在6.5 10.8Pas，倒入模具振荡后~
放进80℃烘箱固化1.5h成型，即得耐烧蚀包覆锆基磷酸盐材料。耐烧蚀包覆锆基磷酸盐材
3
料的密度为1.68g/cm 。通过图3可以得到其固化后的物相主要由ZrO2、Al(PO4)2(PO3OH)2(OH)8和ZrP等组成；固化后其表面形貌特征明显（图4），由大量的“玻璃态”物相包覆在内部颗粒表面，各物相间紧密连接。

[0036] 对实施例2制备的耐烧蚀包覆锆基磷酸盐材料进行长时间热稳定性检测。其工艺参数如下：

[0037] 1）升温速率5℃/min，温度：1500℃；保温时间：6h；气氛：空气；冷却方式：随炉冷却。

[0038] 2）升温速率5℃/min，温度：1700℃；保温时间：6h；气氛：空气；冷却方式：随炉冷却。

[0039] 图5是样品1700℃处理6h前后的实物照片，通过图片可以直观的看到样品大小、宏观特征没有发生明显的变化，说明其热稳定性良好；图6是其在1700℃处理6h后的微观形貌图，通过图片可以明显看出，其表面有两类物相，其中表面的1点相主要是耐高温的ZrO2物相，而2点物相主要是磷酸盐物相包括AlPO4和ZrP等，AlPO4和ZrP物相的耐温性较低，高温下发生熔融所以主要集中在ZrO2物相下方。而对其进行TG‑DSC测试图7数据可以明显的得到其质量变化率从室温到1400℃的处理过程中呈现增加的现象，且变化率在2%以内，说明其热稳定性良好。图8是样品经过2400℃烧蚀120s后的微观形貌图，烧蚀面形成大量致密的ZrO2颗粒，可以阻挡样品发生进一步的烧蚀。

[0040] 实施例3

[0041] 称取0.2mol的五氧化二磷、0.1mol的氧化铝和0.1mol的三氧化二铬添加到装有1mol去离子水的烧杯中，室温搅拌0.5h，最后形成暗绿色的粘性液体。最后将上述磷铝铬复盐溶液倒入装有ZrO2的研钵，其中磷铝铬复盐溶液与ZrO2的质量比为1：1，之后在室温下研磨搅拌5min，直至混合均匀，没有明显的颗粒感，粘度在6.5 10.8Pas，倒入模具振荡后放进~
80℃烘箱固化1.5h成型，即得耐烧蚀包覆锆基磷酸盐材料。耐烧蚀包覆锆基磷酸盐材料的
3
密度为1.62g/cm。

[0042] 对比例1

[0043] 称取0.2mol的五氧化二磷、0.1mol的氧化铝和0.1mol的三氧化二铬添加到装有1mol去离子水的烧杯中，室温搅拌0.5h，最后形成暗绿色的粘性液体。最后将上述磷铝铬复盐溶液倒入装有ZrO2的研钵，其中磷铝铬复盐溶液与ZrO2的质量比为1：4，之后在室温下研磨搅拌，因为外加粉料ZrO2过多，导致研磨困难，混合不均匀固化后有明显的颗粒感物。

[0044] 对比例2

[0045] 称取0.2mol的五氧化二磷、0.1mol的氧化铝和0.1mol的三氧化二铬添加到装有1mol去离子水的烧杯中，室温搅拌0.5h，最后形成暗绿色的粘性液体。最后将上述磷铝铬复盐溶液倒入装有ZrO2的研钵，其中磷铝铬复盐溶液与ZrO2粉体的质量比为1：2，之后在室温下研磨搅拌5min，直至混合均匀，没有明显的颗粒感，粘度在6.5 10.8Pas，倒入模具振荡后~
放进40℃烘箱固化12h成型（或倒入模具振荡后放进200℃烘箱固化1.5h成型），即得耐烧蚀包覆锆基磷酸盐材料。

[0046] 对上述固化后样品进行分析，当固化温度过低即40℃，因为固化温度过低，大幅延长了固化时间，并且固化后的样品存在较80℃更高的结合水；相反当固化时间过高即200℃固化时，其固化温度过高，使得混合液中水分快速蒸发而出现裂纹等现象。

[0047] 对比例3

[0048] 称取0.2mol的五氧化二磷、0.1mol的氧化铝和0.1mol的三氧化二铬添加到装有1mol去离子水的烧杯中，室温搅拌0.5h，最后形成暗绿色的粘性液体。最后将上述磷铝铬复盐溶液倒入装有ZrO2的研钵，其中磷铝铬复盐溶液与ZrO2的质量比为1：0.5，之后在室温下研磨搅拌30min，直至混合均匀，没有明显的颗粒感，粘度在6.5 10.8Pas，倒入模具振荡后~
放进80℃，烘箱固化5h成型，即得耐烧蚀包覆锆基磷酸盐材料。

[0049] 上述配比虽然可以固化，但因固化剂ZrO2添加量减少，为达到相同粘度，其搅拌时间需要大幅度延长，从而延长制备时间，并且其耐高温ZrO2量减少，将大幅度影响材料的耐温性。

[0050] 对比例4

[0051] 称取0.2mol的五氧化二磷、0.1mol的氧化铝和0.1mol的三氧化二铬添加到装有1mol去离子水的烧杯中，室温搅拌0.5h，最后形成暗绿色的粘性液体。最后将上述磷铝铬复盐溶液倒入装有ZrO2的研钵，其中磷铝铬复盐溶液与ZrO2的质量比为1：1，之后在室温下研磨搅拌5min，直至混合均匀，没有明显的颗粒感，粘度在3.1 5.8Pas，倒入模具振荡后放进~
80℃，烘箱固化5h成型，即得耐烧蚀包覆锆基磷酸盐材料。

[0052] 上述配比虽然可以固化，但其混合研磨后粘度较对比例三减少，导致其固化时间增加，从而延长制备时间。

[0053] 对比例5

[0054] 称取0.2mol的五氧化二磷、0.1mol的氧化铝和0.1mol的三氧化二铬添加到装有1mol去离子水的烧杯中，室温搅拌0.5h，最后形成暗绿色的粘性液体。最后将上述磷铝铬复盐溶液倒入装有ZrO2的研钵，其中磷铝铬复盐溶液与ZrO2的质量比为1：2，之后在室温下玻璃杯中搅拌20min，直至混合均匀，粘度在6.5 10.8Pas倒入模具振荡后放进80℃烘箱固化~
1.5h成型，即得耐烧蚀包覆锆基磷酸盐材料。

[0055] 对上述实验进行分析，其搅拌时间延长，且搅拌难度加大，因为粉料搅拌过程中因为细小颗粒表面能的原因，会发生团聚现象，单一通过玻璃棒搅拌较难分离大量团聚粉料，导致制备周期延长。