Gd2Zr2O7陶瓷的高温热物理性能及Gd2Zr2O7-8YSZ双涂层制备

通过高温固相合成方法制备了烧绿石结构Gd₂Zr₂O₇陶瓷材料,研究了其高温相稳定性和热物理性能。采用电子束物理气相沉积方法制备了Gd₂Zr₂O₇-8YSZ(8%Y₂O₃-ZrO₂)双陶瓷层结构热障涂层,分析了涂层顶层的晶体结构和原子数量比。结果表明,Gd₂Zr₂O₇在室温至1500℃范围内具有良好的相稳定性,比第一代热障涂层8YSZ的高温相稳定区间提高250℃以上。Gd₂Zr₂O₇块材的热膨胀系数在100~1500℃范围内介于8.8×10^-6~11.0×10^-6 K^-1之间,与8YSZ接近; 在1000~1400℃高温区间,热导率约为1.0 W(m·K)^-1,比8YSZ降低一半左右。沉积制得的Gd₂Zr₂O₇涂层化学成分符合化学计量比,为烧绿石结构,涂层呈现典型的柱状晶结构。     

单相双稀土改性SrZrO3热障涂层的热物理性能

由于SrO和ZrO₂的蒸气压不同, 造成等离子喷涂SrZrO₃涂层组分偏离原始粉末化学计量比, 从而导致制备态涂层中出现第二相ZrO₂。为了获得高相稳定性的单相涂层, 实验采用固相合成法合成并经过喷雾造粒制备了双稀土改性Sr过量SrZrO₃(Sr_1.1(Zr_0.9Yb_0.05Gd_0.05)O_3.05)热喷涂粉末, 采用大气等离子喷涂方法制备了相应的涂层, 研究了单相双稀土改性SrZrO₃热障涂层的热物理性能及其热循环寿命。研究结果表明, 制备态Sr_1.1(Zr_0.9Yb_0.05Gd_0.05)O_3.05涂层中无第二相产生, 1600 ℃热处理360 h后Sr_1.1(Zr_0.9Yb_0.05Gd_0.05)O_3.05保持单相SrZrO₃结构, 高温相稳定性良好。Sr_1.1(Zr_0.9Yb_0.05Gd_0.05)O_3.05涂层的烧结系数为7.27×10 ^-6 s ^-1, 热处理360 h后该涂层的热膨胀系数为(9.0~11.0)×10 ^-6 K ^-1 (200~1400 ℃), 热导率为2.83 W/(m?K) (1000 ℃)。Sr_1.1(Zr_0.9Yb_0.05Gd_0.05)O_3.05/YSZ双层涂层的火焰循环次数为1000次, 失效区域主要发生在Sr_1.1(Zr_0.9Yb_0.05Gd_0.05)O_3.05陶瓷层内。在喷涂粉末中增加SrO的含量能够弥补在大气等离子喷涂过程中Sr元素过量挥发的问题, 成功制备了单相双稀土改性Sr_1.1(Zr_0.9Yb_0.05Gd_0.05)O_3.05热障涂层。双稀土掺杂能够明显提高涂层的热膨胀系数, 且单相双稀土改性Sr_1.1(Zr_0.9Yb_0.05Gd_0.05)O_3.05涂层的抗烧结性能明显优于SrZrO₃涂层, 但单相Sr_1.1(Zr_0.9Yb_0.05Gd_0.05)O_3.05涂层热导率比含有第二相的SrZrO₃涂层高。     

真空烧结制备(La0.2Nd0.2Sm0.2Gd0.2Er0.2)2Zr2O7高熵透明陶瓷

高熵陶瓷是近年来陶瓷材料研究的热点, 制备性能优异的高熵陶瓷是陶瓷材料的发展趋势。本研究采用燃烧法结合真空烧结制备出高熵透明陶瓷。测试结果显示燃烧法制备高熵(La_0.2Nd_0.2Sm_0.2Gd_0.2Er_0.2)₂Zr₂O₇粉体的平均晶粒尺寸为8 nm, 高熵粉体为无序的缺陷萤石结构。在真空炉中不同温度烧结的高熵陶瓷具有有序的烧绿石结构。烧结温度对高熵透明陶瓷的在线透过率影响不大, 最大透过率为74%(@1730 nm), 其透过率光谱中出现大量吸收峰。随着烧结温度的升高, 陶瓷的体积密度有所上升, 晶粒尺寸增大, 而维氏硬度逐渐降低。     

Er2O3掺杂Gd2(Zr0.8Ti0.2)2O7陶瓷的物理性能

用固相反应法制备(Gd_1-xEr_x)₂(Zr_0.8Ti_0.2)₂O₇(摩尔分数x=0,0.2,0.4)陶瓷并测试其晶体结构、显微形貌和物理性能,研究了Er₂O₃掺杂的影响。结果表明,(Gd_1-xEr_x)₂(Zr_0.8Ti_0.2)₂O₇陶瓷具有立方烧绿石结构,显微结构致密,在室温至1200℃高温相的稳定性良好;Er³⁺掺杂降低了陶瓷材料的热导率和平均热膨胀系数,当x=0.2时,其1000℃的热导率最低(为1.26 W·m^-1·k^-1)。同时,Er³⁺掺杂还提高了这种材料的硬度和断裂韧性。     

稀土氧化物掺杂对YSZ热障涂层热物理性能影响的研究进展

随着航空发动机和燃气轮机(简称“两机”)服役温度的升高,目前,在两机热端部件表面防护方面应用最为广泛的热障涂层(Thermal barrier coatings, TBCs)存在陶瓷层材料氧化钇稳定氧化锆(Yttria-stabilized zirconia, YSZ)在高温下会发生相转变、热膨胀系数与金属基底不匹配以及烧结导致涂层的热导率升高等问题,严重影响TBCs的服役寿命。新一代TBCs陶瓷面层材料分为以下几类：(1)稀土氧化物稳定YSZ;(2)钙钛矿结构陶瓷材料;(3)稀土六铝酸盐或稀土钽酸盐;(4)烧绿石或萤石结构稀土锆酸盐。其中,稀土氧化物掺杂可有效降低YSZ热障涂层的热导率,提高其热膨胀系数、高温相稳定性及耐烧结性能,被认为是提高YSZ热障涂层高温稳定性的有效方法。基于此,本文重点阐述了单元或多元稀土氧化物掺杂YSZ热障涂层材料的研究进展,讨论了稀土氧化物掺杂对YSZ陶瓷面层高温相稳定性、热导率和热膨胀系数的影响机理。基于耦合作用机理为未来稀土氧化物掺杂YSZ热障涂层的研发提供一定的借鉴。     

稀土钽酸盐(RETaO4)高熵陶瓷的制备与热学性能研究

采用固相法制备了三种具有单斜结构的单相固溶体稀土钽酸盐高熵陶瓷(Nd_1/6Sm_1/6Eu_1/6Gd_1/6Dy_1/6Ho_1/6)TaO₄ (6RETaO₄)、(Nd_1/5Sm_1/5Eu_1/5Gd_1/5Dy_1/5)TaO₄(5RETaO₄)和(Nd_1/4Sm_1/4Eu_1/4Gd_1/4)TaO₄(4RETaO₄), 扫描透射电子显微镜- X射线能谱(STEM-EDS)的分析表明掺杂的稀土元素分布均匀。通过扫描电子显微镜(SEM)观察到由四方-单斜的二级铁弹相变形成的铁弹畴。热膨胀测试表明RETaO₄高熵陶瓷在1200 ℃以下具有良好的热稳定性, 其中6RETaO₄的热膨胀系数可以达到9.25×10^-6 K^-1 (1200 ℃)。由于高熵效应带来的声子散射增加, RETaO₄高熵陶瓷具有较低的晶格热导率(2.98~1.23 W·m^-1·K^-1, 100~1000 ℃), 并且表现出良好的力学性能(6RETaO₄, (9.97±2.2) GPa), 是潜在的下一代热障涂层材料。     

高熵稀土氧化物热障涂层材料研究进展

热障涂层(Thermal barrier coating, TBC)材料在航空发动机和燃气轮机的热防护中具有保护高温合金基底免受氧化及腐蚀,并降低高温合金的工作温度的重要作用。新型热障涂层材料中存在许多高熵稀土氧化物,能够实现比单一主成分稀土氧化物更优异的热学、力学、高温相稳定性以及抗烧结、耐腐蚀等性能。但是目前对高熵稀土氧化物的研究仍然停留在初步阶段,其中稀土元素对材料性能的作用尚未完全明确,且没有形成统一标准。简要概述了热障涂层的基本结构,并重点总结了高熵锆酸盐、铈酸盐、铪酸盐、钽酸盐和铌酸盐等5种高熵稀土酸盐的晶体结构、热物理性能与力学性能。对比分析了其与相应的单一组分稀土酸盐的差异,并探讨了影响其性能优劣的多种因素。相比于单一组分稀土氧化物,高熵稀土氧化物的热导率、热膨胀系数和相稳定性均有明显改善。最后,展望了未来高熵稀土热障涂层的发展方向。     

多元稀土氧化物掺杂二氧化锆基陶瓷材料的热物理性能

稀土氧化物(RE)掺杂氧化钇稳定二氧化锆(YSZ)是提高传统YSZ热障涂层隔热性能和高温稳定性的有效途径之一。在1500 ℃高温固相反应烧结24 h制得Gd₂O₃和Yb₂O₃多元稀土氧化物掺杂的YSZ(含3.5%Y₂O₃(摩尔分数))(GY-YSZ)陶瓷材料。采用XRD研究了GY-YSZ 陶瓷材料的晶体结构和物相组成; 采用激光脉冲法研究了Gd₂O₃和Yb₂O₃掺杂对GY-YSZ 陶瓷材料的热物理性能的影响规律。研究发现, 掺杂2.0%~3.0%Gd₂O₃和Yb₂O₃(摩尔分数)后GY-YSZ的热导率为0.90~1.15 W·(m·K)-1, 比YSZ降低30%以上, 显示了良好的隔热性能。稀土氧化物掺杂对YSZ陶瓷材料热物理性能的影响机制为: 掺杂Gd₂O₃和Yb₂O₃导致YSZ中单斜相(M)、 四方相(T)和立方相(C)含量发生变化, 同时YSZ晶格发生畸变。      

(Sm_(1-x)La_x)_2Ce_2O_7(0<x<1)固溶体的热物理性能

以La_2O_3、Sm_2O_3和CeO_2为原料,采用高温固相反应法制备了(Sm_(1-x)La_x)_2Ce_2O_7(0x1)系列固溶体。并对其相结构、显微组织、元素组成、热物理性能进行了研究。X射线衍射分析表明,所合成的(Sm_(1-x)La_x)_2Ce_2O_7(0x1)系列固溶体具有典型的单一缺陷萤石型结构。扫描电镜分析表明,其显微组织十分致密,相对致密度92%,且各元素摩尔比与其化学式比较接近。其热导率随着La_2O_3掺杂量的增加而降低,并明显低于Y_2O_3部分稳定ZrO_2的热导率。其在1 000℃时的热膨胀系数处于11.83×10~(-6)/K至12.86×10~(-6)/K之间,明显高于YSZ的9×10~(-6)/K。该系列固溶体良好的热物理性能,表明其有潜力用作新型热障涂层表面陶瓷层材料。     

聚苯醚/钙镧钛微波复合基板

微波复合基板兼具树脂基体的高韧性和陶瓷填料优异的介电和热学性能, 是航空航天、电子对抗、5G通讯等领域的关键材料。本工作采用螺杆造粒与注塑成型相结合的新技术制备了聚苯醚(简写为PPO)为基体、钙镧钛(Ca_0.7La_0.2TiO₃, 简写为CLT)陶瓷为填料的新型微波复合基板, 并对基板的显微结构、微波介电性能、热学性能和力学性能进行表征。结果表明, 采用这种新技术制备的微波复合基板组成均匀且结构致密。随着CLT陶瓷的体积分数从0增大至50%, 基板的介电常数从2.65提高到12.81, 介电损耗从3.5×10 ^-3降低至2.0×10 ^-3 (@10GHz); 同时热膨胀系数从7.64×10 ^-5 ℃ ^-1显著降低至1.49×10 ^-5 ℃ ^-1, 热导率从0.19 W·m ^-1·K ^-1提高至0.55 W·m ^-1·K ^-1; 此外抗弯强度从97.9 MPa提高至128.7 MPa。填充体积分数40%CLT陶瓷的复合基板综合性能优异: ε_r=10.27, tanδ=2.0×10 ^-3(@10GHz), α=2.91×10 ^-5 ℃ ^-1, λ=0.47 W·m ^-1·K ^-1, σ_s=128.7 MPa, 在航空航天、电子对抗、5G通讯等领域具有良好的应用前景。     

高红外遮蔽SiZrOC纳米纤维膜的制备及其性能研究

陶瓷纤维具有较好的力学、耐高温和抗热震性能,是重要的高温隔热材料.目前,传统陶瓷纤维膜高温隔热性能不佳,限制了其在高温隔热领域的应用.本研究采用静电纺丝技术制备了具有高红外遮蔽性能的SiZrOC纳米纤维膜,纤维的平均直径为(511±108)nm,组成为SiO2、ZrO2、SiOC和自由碳.SiZrOC纤维膜展现出优异的...     

Sc2W3O12薄膜制备及其负热膨胀性能

采用脉冲激光沉积法制备了斜方相Sc₂W₃O₁₂薄膜。利用X射线衍射仪(XRD)和场发射扫描电镜(FESEM)对Sc₂W₃O₁₂靶材和Sc₂W₃O₁₂薄膜组分、表面形貌和靶材断面形貌进行表征, 研究衬底温度与氧分压对薄膜制备的影响。采用变温XRD和热机械分析仪(TMA)分析了Sc₂W₃O₁₂陶瓷靶材和薄膜的负热膨胀特性。实验结果表明: 经1000℃烧结6 h得到结构致密的斜方相Sc₂W₃O₁₂陶瓷靶材, 其在室温到600℃的温度范围内平均热膨胀系数为-5.28×10^-6 K^-1。在室温到500℃衬底温度范围内脉冲激光沉积制备的Sc₂W₃O₁₂薄膜均为非晶态, 随着衬底温度的升高, 薄膜表面光滑程度提高; 随着沉积氧压强增大, 表面平整性变差。非晶膜经1000℃退火处理7 min后得到斜方相Sc₂W₃O₁₂多晶薄膜, 在室温到600℃温度区间内, Sc₂W₃O₁₂薄膜的平均热膨胀系数为-7.17×10^-6 K^-1。     

钙钛矿型(La0.2Li0.2Ba0.2Sr0.2Ca0.2)TiO3高熵氧化物陶瓷的制备及性能研究

高熵陶瓷是近年来在高熵合金基础上逐渐发展起来的一种新的陶瓷材料体系,它的出现为开发具有优异性能的非金属材料提供了新的理念和路线.本研究采用固相烧结法制备A位等摩尔比的钙钛矿型高熵氧化物陶瓷(La0.2Li0.2Ba0.2Sr0.2Ca0.2)TiO3,并探索了烧结温度对高熵陶瓷的物相结构及电学性能的影响.结果表明,陶瓷...     

稀土氧化物对常压烧结氮化硅陶瓷性能的影响

高导热氮化硅陶瓷是大功率电力电子器件散热的关键候选材料。研究采用稀土氧化物(Re₂O₃)和氧化钛(TiO₂)烧结助剂体系, 通过低温常压烧结方法来制备氮化硅陶瓷, 以有效降低成本, 满足实际应用的需求。系统研究了烧结助剂种类及含量对Si₃N₄陶瓷的致密化行为、热导率、显微结构以及力学性能的影响。研究发现随着稀土离子半径的增大, 材料的致密度和热导率均呈现下降趋势, 添加Sm₂O₃后样品最高密度仅为3.14 g/cm³。但是当Sm₂O₃-TiO₂烧结助剂含量为8wt%时, 样品断裂韧性可达5.76 MPa•m^1/2。当添加Lu₂O₃且烧结助剂含量为12wt%时, 材料的密度可达3.28 g/cm³, 但是大量存在的第二相导致热导率仅为42.3 W/(m∙K)。研究发现该材料具有良好的断裂韧性。经1600℃退火8 h后, Er₂O₃-TiO₂烧结助剂样品的热导率达到51.8 W/(m∙K), 基本满足一些功率电路基板材料的实际应用需求。