本发明涉及yb2si2o7粉体的制备技术领域，具体为一种yb2si2o7超细粉体的碳包覆-共沉淀制备方法。
背景技术：
硅基陶瓷复合材料，例如碳化硅纤维增强碳化硅基复合材料，由于其优异的高温热学和力学性能，被广泛应用在航空航天领域，是未来航空发动机高温部件的首选材料。sicf/sic陶瓷基复合材料在干燥氧化气氛中，表面能形成致密、抗氧化的sio2保护层。在航空发动机燃气环境中，sio2保护层会与水蒸汽反应生成挥发性si(oh)4，造成氧化膜失效及复合材料的挥发与损伤，降低结构部件的力学性能与服役可靠性。因此，必须在部件表面涂覆环境障涂层。此外，热/环境障一体化涂层不仅可解决其抗腐蚀性能差的问题，还可以提高应用温度，是航空发动机未来涂层发展的方向。稀土硅酸盐(特别是硅酸镱)凭借优良的化学稳定性、相稳定性、耐高温性能、抗腐蚀性能和低热导率成为了新一代硅基陶瓷热障/环境障涂层的热点材料；同时还可作为抗氧化涂层，提高其抗氧化能力。
目前，yb2si2o7粉末的制备方法主要包括：固相法、溶胶-凝胶法和共沉淀法。固相法的烧结温度较高，一般在1500℃以上，并且所制备粉末为微米级，粒径较大。而溶胶-凝胶法虽然可以在较低温度合成出纳米粉末，但是存在制备工艺复杂，反应周期长的缺点；并且由于使用硝酸镱为镱源，由湿凝胶烘干得到干凝胶时，硝酸盐分解会放出大量有刺激性气味的棕黄色浓烟，严重污染环境；另外，在1000～1400℃热处理生成yb2si2o7时，颗粒间容易烧结和团聚。因此，溶胶-凝胶法通常合成的是颗粒团聚的粉体。常规共沉淀法的主要问题是：在空气中直接煅烧所制备的粉末同样为颗粒团聚的粉体，粒径分布范围很大、粉体不均匀。针对以上问题，本发明则采用改进的碳包覆-共沉淀法进行yb2si2o7超细粉体的制备。一方面使用乙酸镱为镱源，沉淀在烘干时不会产生有刺激性气味的浓烈黄烟，具有环境友好的优点；另一方面，通过添加碳源引入碳包覆层，并且在保护性气氛或真空环境下煅烧，显著减少热处理时颗粒之间的团聚，然后在降温时通入空气除去碳层，实现了一步合成、制备出非团聚的亚微米级yb2si2o7超细粉末。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种yb2si2o7超细粉体的碳包覆-共沉淀制备方法，工艺简单、环境友好、制备周期短，可满足未来航空发动机sicf/sic陶瓷基复合材料热/环境障涂层材料的需求。
本发明的技术方案如下：
一种yb2si2o7超细粉体的碳包覆-共沉淀制备方法，以乙酸镱为镱源、硅溶胶为硅源，乙酸镱和硅溶胶摩尔比为1:1～1.3，并且引入有机碳源对共沉淀的颗粒进行碳包覆，利用包覆的碳层在煅烧时阻碍颗粒团聚，从而制备出粒径细小的yb2si2o7超细粉体，具体步骤如下：
1)配制a溶液：将乙酸镱(yb(c2h3o2)3·4h2o)溶解于60～90℃的水中，冷却至室温后加入分散剂和碳源；
2)配制b溶液：将硅溶胶与水相混合，加入分散剂、碳源和浓度25wt％～28wt％的浓氨水，并混合均匀；
3)将b溶液滴入到不断搅拌的a溶液中，得到白色的共沉淀混合液，随后超声处理10～60min；
4)将步骤3)得到的混合液先在70～90℃烘干12～24h，然后在120～160℃烘干6～18h得到碳源包裹的沉淀，并研磨成粉体；
5)将步骤4)得到的粉体在1100～1400℃无氧气氛下煅烧1～4h，降温至500～900℃时通入空气除去碳层并随炉冷却，最终合成出非团聚的yb2si2o7超细粉体。
所述的yb2si2o7超细粉体的碳包覆-共沉淀制备方法，步骤1)a溶液中，乙酸镱占10wt％～35wt％，分散剂占1wt％～10wt％，碳源占5wt％～50wt％。
所述的yb2si2o7超细粉体的碳包覆-共沉淀制备方法，步骤1)中，分散剂为聚乙二醇或聚乙酰亚胺，碳源为葡萄糖、蔗糖、果糖、纤维素或淀粉。
所述的yb2si2o7超细粉体的碳包覆-共沉淀制备方法，步骤2)b溶液中，硅溶胶占5wt％～20wt％，分散剂占1wt％～10wt％，碳源占5wt％～50wt％，乙酸镱和浓氨水的摩尔比为1:1～1.25。
所述的yb2si2o7超细粉体的碳包覆-共沉淀制备方法，步骤2)中，分散剂为聚乙二醇或聚乙酰亚胺，碳源为葡萄糖、蔗糖、果糖、纤维素或淀粉。
所述的yb2si2o7超细粉体的碳包覆-共沉淀制备方法，步骤5)中，煅烧的无氧气氛为氩气、氮气或者真空。
所述的yb2si2o7超细粉体的碳包覆-共沉淀制备方法，超细粉体为亚微米级粒径的粉体。
本发明的设计思想是：
为了获得综合性能优异的热障/环境障涂层的粉体材料，需要制备出粒度细小均匀、不团聚的纯相亚微米级颗粒。但是，常规的固相法烧结温度高(>1500℃)和所制备颗粒尺寸大(微米级)；溶胶-凝胶法工艺复杂、会造成环境污染和颗粒团聚。因此：第一点，本发明采用共沉淀的方法可以在1100～1400℃较低的煅烧温度进行亚微米超细粉体的制备。第二点，本发明采用乙酸镱作为镱源，在沉淀烘干时避免了采用硝酸镱做镱源带来的大量刺激性浓烈黄烟，环境友好无污染。第三点，最重要的是，本发明采用新型的碳包覆-共沉淀法进行超细yb2si2o7粉体的制备。常规做法是直接采用共沉淀法结合空气煅烧制备氧化物的超细粉体。和溶胶-凝胶法相类似，一般获得的是严重团聚的粉体，粒径分布很大、颗粒不均匀。然而，本发明借助引入碳包覆、在煅烧时形成碳层以阻碍颗粒团聚的新思路来制备单分散和抑制团聚的粉体。而且，在降温过程中通入空气进行除碳、相当于一步法进行粉体的制备，工艺简单。
本发明的新颖性在于借助碳层阻碍煅烧时颗粒团聚，发挥作用后在降温时除去碳层。值得注意的是，碳包覆-共沉淀法的碳包覆过程与传统的电化学领域中的碳包覆过程提升材料电化学性能的目标和作用完全不同，具有显著的创新性。
本发明的优点及有益效果是：
1.本发明通过新型的碳包覆-共沉淀法进行yb2si2o7超细粉体的制备，通过引入碳层阻碍煅烧时颗粒的团聚和烧结，有助于获得粒度细小均匀、团聚少的粉体。
2.本发明采用乙酸镱为镱源，避免了常规硝酸镱为镱源在样品烘干时产生大量刺激性气味的浓烈黄烟，环境友好，利于环保。
3.本发明在降温过程中(900～500℃)通入空气除去包覆的碳层，形成及除去碳层实现一步合成完成，工艺简化，操作方便，节省能源。
4.本发明所制备的yb2si2o7粉体具有粒度细小均匀、团聚少、亚微米级和纯相的特点，满足目前硅基陶瓷复合材料的热障/环境障涂层和抗氧化涂层等离子喷涂制备粉体喂料要求。
附图说明
图1为yb2si2o7粉体的xrd图谱。
图2为实施例2中yb2si2o7粉体的扫描照片。
图3为实施例3中yb2si2o7粉体的扫描照片。其中，插图为粒径与累积分布的曲线。
图4对比实验直接在空气中煅烧yb2si2o7粉体的扫描照片。
具体实施方式
在具体实施过程中，本发明yb2si2o7超细粉体的碳包覆-共沉淀制备方法，以乙酸镱和硅溶胶为原料并引入有机碳源，先配制乙酸镱和碳源混合均匀的a溶液，然后配制硅溶胶和碳源、浓氨水混合均匀的b溶液，接着将b溶液缓慢滴加到a溶液进行共沉淀。随后将上述混合液进行烘干、保护性气氛下煅烧和降温时空气中除碳，最后获得亚微米级的yb2si2o7超细粉体。
下面，通过附图和实施例对本发明进一步详细描述。
实施例1
先配制a溶液：将30g乙酸镱(yb(c2h3o2)3·4h2o)溶解于70℃的70g水中，冷却至室温后加入0.3g聚乙二醇和15g蔗糖，搅拌均匀；然后配制b溶液：将17.5g质量分数为30％的硅溶胶与17.5g水相混合，加入0.5g聚乙二醇、0.3g蔗糖和10ml浓度26wt％的浓氨水，并混合均匀；接着将b溶液缓慢滴入到不断搅拌的a溶液中，得到白色的共沉淀混合液，随后超声处理10min；接着将上述混合液先在70℃烘干24h，之后在120℃烘干18h得到碳源包裹的沉淀，并研磨成粉；然后将上述粉末在1400℃氮气中煅烧1h，降温至550℃时通入空气除去碳层并随炉冷却，最终合成出粒度细小、非团聚的yb2si2o7超细粉体，粒径分布为115～710nm，平均粒径为336nm。从图1的xrd图谱中可以看出，所制备的样品为纯相的β-yb2si2o7粉体。
实施例2
先配制a溶液：将20g乙酸镱溶解于90℃的70g水中，冷却至室温后加入2g聚乙二醇和2g淀粉，搅拌均匀；然后配制b溶液：将24g质量分数为15％的硅溶胶与24g水相混合，加入0.36g聚乙二醇、0.18g淀粉和7ml浓度27wt％的浓氨水，并混合均匀；接着将b溶液缓慢滴入到不断搅拌的a溶液中，得到白色的共沉淀混合液，随后超声处理60min；接着将上述混合液先在90℃烘干12h，之后在160℃烘干6h得到碳源包裹的沉淀，并研磨成细粉；然后将细粉在1300℃氩气中煅烧2h，降温至700℃时通入空气除去碳层并随炉冷却，最终合成出粒径为110～690nm的亚微米级yb2si2o7超细粉体，平均粒径约为320nm，其扫描照片如图2所示。
实施例3
先配制a溶液：将15g乙酸镱溶解于80℃的60g水中，冷却至室温后加入0.75g聚乙酰亚胺和3g葡萄糖，搅拌均匀；然后配制b溶液：将17g质量分数为15％的硅溶胶与17g水相混合，加入0.13g聚乙酰亚胺、0.5g葡萄糖和5ml浓度25wt％的浓氨水，并混合均匀；接着将b溶液缓慢滴入到不断搅拌的a溶液中，得到白色的共沉淀混合液，随后超声处理30min；接着将上述混合液先在80℃烘干20h，之后在140℃烘干12h得到碳源包裹的沉淀，并研磨成细粉；然后将细粉在1100℃真空环境下煅烧4h，降温至900℃时通入空气除去碳层并随炉冷却，最终合成出粒径分布为120～860nm的亚微米级yb2si2o7超细粉体，平均粒径为370nm，如图3所示。
对比实验(直接共沉淀空气中煅烧、未碳包覆)
为了验证碳包覆对于制备粒度细小均匀、抑制煅烧时颗粒团聚的有效性，将实施例2按照未进行碳包覆过程所制备粉体作为对比，先配制a溶液：将20g乙酸镱溶解于90℃的70g水中，冷却至室温后加入2g聚乙二醇搅拌均匀；然后配制b溶液：将24g质量分数为15％的硅溶胶与24g水相混合，加入0.36g聚乙二醇和7ml浓度25wt％的浓氨水，并混合均匀；接着将b溶液缓慢滴入到不断搅拌的a溶液中，得到白色的共沉淀混合液，随后超声处理60min；接着将上述混合液先在90℃烘干12h，之后在160℃烘干6h得到碳源包裹的沉淀，并研磨成细粉；然后将细粉在1300℃空气气氛下马弗炉中直接煅烧2h，随炉冷却至室温，最终合成出团聚现象严重的yb2si2o7粉体，其扫描照片如图4所示，从图中可以看出颗粒之间相互烧结牢固，并团聚在一起形成大尺寸颗粒，粉末粒径之间差别较大，尺寸分布约为200nm～21μm，分布非常不均匀，难以作为热喷涂的环/热障涂层原料粉使用。
实施例结果表明，本发明采用新型的碳包覆-共沉淀法可成功制备出粒度细小均匀的yb2si2o7粉体材料，所引入的碳包覆过程可以有效抑制煅烧时颗粒间的团聚，确保能够制备出颗粒均匀、团聚少的亚微米级yb2si2o7超细粉体，可有效满足硅基陶瓷复合材料的热障/环境障及抗氧化涂层等离子喷涂粉体喂料性能要求。本发明制备工艺简单、操作方便、环境友好、制备周期短、成本低廉、粒度细小，生产和应用前景非常广阔，适合应用于sicf/sic陶瓷基复合材料的热障/环境障涂层和硅基陶瓷用抗氧化涂层材料。
1.一种yb2si2o7超细粉体的碳包覆-共沉淀制备方法，其特征在于，以乙酸镱为镱源、硅溶胶为硅源，乙酸镱和硅溶胶摩尔比为1:1～1.3，并且引入有机碳源对共沉淀的颗粒进行碳包覆，利用包覆的碳层在煅烧时阻碍颗粒团聚，从而制备出粒径细小的yb2si2o7超细粉体，具体步骤如下：
1)配制a溶液：将乙酸镱(yb(c2h3o2)3·4h2o)溶解于60～90℃的水中，冷却至室温后加入分散剂和碳源；
2)配制b溶液：将硅溶胶与水相混合，加入分散剂、碳源和浓度25wt％～28wt％的浓氨水，并混合均匀；
3)将b溶液滴入到不断搅拌的a溶液中，得到白色的共沉淀混合液，随后超声处理10～60min；
4)将步骤3)得到的混合液先在70～90℃烘干12～24h，然后在120～160℃烘干6～18h得到碳源包裹的沉淀，并研磨成粉体；
5)将步骤4)得到的粉体在1100～1400℃无氧气氛下煅烧1～4h，降温至500～900℃时通入空气除去碳层并随炉冷却，最终合成出非团聚的yb2si2o7超细粉体。
2.按照权利要求1所述的yb2si2o7超细粉体的碳包覆-共沉淀制备方法，其特征在于，步骤1)a溶液中，乙酸镱占10wt％～35wt％，分散剂占1wt％～10wt％，碳源占5wt％～50wt％。
3.按照权利要求1所述的yb2si2o7超细粉体的碳包覆-共沉淀制备方法，其特征在于，步骤1)中，分散剂为聚乙二醇或聚乙酰亚胺，碳源为葡萄糖、蔗糖、果糖、纤维素或淀粉。
4.按照权利要求1所述的yb2si2o7超细粉体的碳包覆-共沉淀制备方法，其特征在于，步骤2)b溶液中，硅溶胶占5wt％～20wt％，分散剂占1wt％～10wt％，碳源占5wt％～50wt％，乙酸镱和浓氨水的摩尔比为1:1～1.25。
5.按照权利要求1所述的yb2si2o7超细粉体的碳包覆-共沉淀制备方法，其特征在于，步骤2)中，分散剂为聚乙二醇或聚乙酰亚胺，碳源为葡萄糖、蔗糖、果糖、纤维素或淀粉。
6.按照权利要求1所述的yb2si2o7超细粉体的碳包覆-共沉淀制备方法，其特征在于，步骤5)中，煅烧的无氧气氛为氩气、氮气或者真空。
7.按照权利要求1所述的yb2si2o7超细粉体的碳包覆-共沉淀制备方法，其特征在于，超细粉体为亚微米级粒径的粉体。
技术总结