中國建材總院在高熵氧化物陶瓷方面取得新進(jìn)展

來源：中國建材總院發(fā)布時(shí)間：2024年08月12日

摘要:

中國建筑材料科學(xué)研究總院有限公司所屬國檢集團(tuán)研究團(tuán)隊(duì)在《Ceramics Internatioal》發(fā)表了題為《高熵氧化物陶瓷的合成、微觀結(jié)構(gòu)和熱物理性能》的論文。

↓論文鏈接↓

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0272884223037914

隨著航空航天技術(shù)的快速發(fā)展，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片及其它熱端部件面臨著更加苛刻的極端環(huán)境，提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的耐高溫氧化能力是目前亟待解決的問題。而針對航空航天用的熱端部件在高溫、腐蝕等極端環(huán)境下的嚴(yán)苛需求，涂敷高溫涂層是一種有效的解決方案，這不僅能顯著提升其工作溫度上限，還能增強(qiáng)其抗環(huán)境侵蝕的能力。

迄今為止，應(yīng)用最廣、最成熟的熱障涂層是以氧化釔(質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%~8%)部分穩(wěn)定氧化鋯(YSZ)陶瓷層為面層，MCrAIY合金層為粘接層的雙層結(jié)構(gòu)熱障涂層體系，但是它在高溫環(huán)境服役過程中存在晶型轉(zhuǎn)變、應(yīng)變失配等諸多問題。因此，探索出熱穩(wěn)定性能優(yōu)、隔熱性能好、抗腐蝕能力強(qiáng)的新型涂層材料對于航空航天技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

為此，國檢集團(tuán)萬德田團(tuán)隊(duì)探討了高熵稀土鋯酸鹽陶瓷的致密化合成及微觀結(jié)構(gòu)和熱物理性能，探索其在熱障涂層領(lǐng)域的應(yīng)用前景，取得的研究成果如下：

研究成果：

1.采用冷等靜壓結(jié)合無壓燒結(jié)法合成了致密度為93.7%RD的致密高熵氧化物陶瓷，XRD、SEM 和 EDS Mapping結(jié)果表明，合成樣品為單相燒綠石型結(jié)構(gòu)，元素分布均勻，沒有明顯的偏析現(xiàn)象。

圖1 高熵稀土鋯酸鹽陶瓷的維氏硬度與壓痕載荷的關(guān)系

插圖為10N載荷下的壓痕顯微照片

圖2 在室溫至1200℃溫度范圍內(nèi)彈性模量、剪切模量和泊松比隨溫度的變化情況

2.高熵氧化物陶瓷的本征硬度為7.9 GPa (圖1)，抗彎強(qiáng)度為178 MPa。從室溫到 1200 ℃測得的彈性模量和剪切模量與溫度呈負(fù)相關(guān)，分別從25℃ 時(shí)的148.05 GPa和 56.68 GPa降至1200 ℃時(shí)的117.44 GPa和44.63 GPa（圖2）。

3.基于高熵效應(yīng)，高熵氧化物陶瓷具有優(yōu)異的隔熱性能。在25°C時(shí)，熱導(dǎo)率、熱容和熱擴(kuò)散系數(shù)分別為0.938 W/mK、0.298 J/gK和0.005 cm³/s，而當(dāng)溫度為1200 °C時(shí)，相應(yīng)值分別為1.992 W/mK、0.828 J/gK和0.0041 cm³/s（圖3）。

4.高熵氧化物陶瓷的熱膨脹系數(shù)為11.0×10-6K-1（圖4），與鎳基超耐熱合金的熱膨脹系數(shù)相近，是TBC領(lǐng)域的理想候選材料。

圖3 從室溫至1200℃高熵稀土鋯酸鹽陶瓷的熱擴(kuò)散系數(shù)、熱導(dǎo)率和熱容

圖4 從室溫至1200℃高熵稀土鋯酸鹽陶瓷的線性熱膨脹系數(shù)曲線

主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)：

本研究采用冷等靜壓結(jié)合無壓燒結(jié)法合成出致密度為93.7%RD的高熵氧化物陶瓷。對其微觀結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)表征，探索出其本征硬度為7.9 GPa，抗彎強(qiáng)度為187.9 MPa。此外，彈性模量和剪切模量分別從25℃ 時(shí)的148.05 GPa和 56.68 GPa下降到1200 ℃時(shí)的117.44 GPa和44.63 GPa。在25-1200℃溫度范圍內(nèi)，熱擴(kuò)散系數(shù)從0.0053cm³/s 降至0.0041cm³/s，熱膨脹系數(shù)為11.0×10-6K-1。高熵氧化物陶瓷優(yōu)異的隔熱性能及其與鎳基超合金相似的熱膨脹系數(shù)表明，該材料在隔熱涂層領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

責(zé)任編輯:褚贊贊

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