中國建筑材料科學研究總院有限公司所屬國檢集團研究團隊在《Ceramics Internatioal》發表了題為《高熵氧化物陶瓷的合成、微觀結構和熱物理性能》的論文。
↓論文鏈接↓
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0272884223037914
隨著航空航天技術的快速發展，航空發動機的葉片及其它熱端部件面臨著更加苛刻的極端環境，提高航空發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、腐蝕等極端環境下的嚴苛需求，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，還能增強其抗環境侵蝕的能力。
迄今為止，應用最廣、最成熟的熱障涂層是以氧化釔(質量分數6%~8%)部分穩定氧化鋯(YSZ)陶瓷層為面層，MCrAIY合金層為粘接層的雙層結構熱障涂層體系，但是它在高溫環境服役過程中存在晶型轉變、應變失配等諸多問題。因此，探索出熱穩定性能優、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的發展具有重要意義。
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構和熱物理性能，探索其在熱障涂層領域的應用前景，取得的研究成果如下：
研究成果：
1.采用冷等靜壓結合無壓燒結法合成了致密度為93.7%RD的致密高熵氧化物陶瓷，XRD、SEM 和 EDS Mapping結果表明，合成樣品為單相燒綠石型結構，元素分布均勻，沒有明顯的偏析現象。
圖1 高熵稀土鋯酸鹽陶瓷的維氏硬度與壓痕載荷的關系
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相關，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，高熵氧化物陶瓷具有優異的隔熱性能。在25°C時，熱導率、熱容和熱擴散系數分別為0.938 W/mK、0.298 J/gK和0.005 cm3/s，而當溫度為1200 °C時，相應值分別為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為11.0×10-6K-1（圖4），與鎳基超耐熱合金的熱膨脹系數相近，是TBC領域的理想候選材料。
圖3 從室溫至1200℃高熵稀土鋯酸鹽陶瓷的熱擴散系數、熱導率和熱容
?
圖4 從室溫至1200℃高熵稀土鋯酸鹽陶瓷的線性熱膨脹系數曲線
主要創新點：
本研究采用冷等靜壓結合無壓燒結法合成出致密度為93.7%RD的高熵氧化物陶瓷。對其微觀結構和物理性質進行了系統表征，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，熱擴散系數從0.0053cm3/s 降至0.0041cm3/s，熱膨脹系數為11.0×10-6K-1。高熵氧化物陶瓷優異的隔熱性能及其與鎳基超合金相似的熱膨脹系數表明，該材料在隔熱涂層領域具有廣闊的應用前景。
國檢集團萬德田團隊簡介：
研究團隊自成立以來一直從事陶瓷材料的力學性能和極端環境下的力學性能評價與表征方法及其設備研制等研究工作。近五年共承擔“十四五”國家重點研發計劃，國家自然基金委重點基金項目等科研項目10余項，先后提出相對法、缺口環法、局部高溫加載法等測試新方法，取得多項創新性成果，并制定了相關國際國內標準，形成了相關專用技術和產品。研究成果榮獲國家科技進步獎二等獎2項，省部級獎勵9項，有力推動了中國建材總院檢驗測試學科發展。
?
原文始發于微信公眾號（中國建材總院）：學科進展 | 總院在高熵氧化物陶瓷方面取得新進展
長按識別二維碼關注公眾號，點擊下方菜單欄左側“微信群”，申請加入交流群。
