中國建材總院在高熵氧化物陶瓷方面取得新進展

來源：中國建材總院發(fā)布時間：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研究團隊在《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)動機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)動機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，國檢集團萬德田團隊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℃ 時的148.05 GPa和 56.68 GPa降至1200 ℃時的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，熱導(dǎo)率、熱容和熱擴散系數(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，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

主要創(chuàng)新點：

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)進行了系統(tǒng)表征，探索出其本征硬度為7.9 GPa，抗彎強度為187.9 MPa。此外，彈性模量和剪切模量分別從25℃ 時的148.05 GPa和 56.68 GPa下降到1200 ℃時的117.44 GPa和44.63 GPa。在25-1200℃溫度范圍內(nèi)，熱擴散系數(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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