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昆明理工《Acta Materialia》：熱障/環境障功能一體化稀土鉭酸鹽RE3TaO7陶瓷領域重要進展

2024-06-21 16:45:21 作者：材料科學與工程來源：材料科學與工程分享至：

近日，昆明理工大學材料科學與工程學院金屬先進凝固成形及裝備技術國家地方聯合工程研究中心馮晶與陳琳團隊在稀土鉭酸鹽RE₃TaO₇陶瓷關鍵力-熱學性質調控機制方面取得重要進展，相關研究成果以《Dominant mechanisms of thermo-mechanical properties of weberite-type RE₃TaO₇(RE=La, Pr, Nd, Eu, Gd, Dy) tantalates toward multifunctional thermal/environmental barrier coating applications》為題，發表在國際頂級學術期刊Acta Materialia。昆明理工大學為第一作者單位和通訊單位，材料學院陳琳博士為第一作者。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.119857

RE₃TaO₇陶瓷晶體結構特點

隨著航空發動機和燃氣輪機工作溫度的不斷提高，對燃燒室內高溫部件提出了更高的性能要求。熱障/環境障涂層作為高溫合金零件表面的最外層，通常只提供隔熱降溫和抗沖擊的作用，這已經無法滿足相關裝備的需求，科研人員提出了新型熱障/環境障涂層應該具有隔熱降溫、抗低熔點氧化物腐蝕、強阻氧和優異力學性質的要求。針對氧化鋯基材料隔熱降溫梯度不足和抗腐蝕性能差等問題，昆明理工大學材料學院團隊以稀土鉭酸鹽RE₃TaO₇陶瓷為研究主體，對其關鍵力-熱學性質進行解析，從RE-O和Ta-O的化學鍵類型、相對比離子性和晶體結構特點出發，闡明了熱導率、熱膨脹系數、楊氏模量和氧離子電導率的關鍵影響因子，為開發新型耐高溫、高隔熱、強阻氧、低應力的熱障/環境障涂層材料奠定基礎。

RE₃TaO₇陶瓷力學性質演變規律及其調控機制

本成果的主要研究結論包括以下三點：(1) RE₃TaO₇陶瓷中化學鍵結合強度與相對離子性成反比，RE-O鍵的相對離子性隨著稀土離子半徑的減小不斷增大，導致楊氏模量和硬度逐漸增大；不同裂紋擴展模式的存在能夠減緩應力集中有效提高斷裂韌性，其最高值達2.4 MPa·m^1/2；(2) 通過聲子熱導率與溫度的關系有效預測RE₃TaO₇陶瓷的高溫熱導率，RE-O鍵

的結合強度相對較弱，其通過減緩聲子傳播速度的方式降低熱導率，獲得遠低于氧化鋯基和稀土硅酸鹽等材料的熱導率；(3) [TaO₆]多面體的穩定結構使得RE₃TaO₇陶瓷具有優異的高溫穩定性，工作溫度可到1800 K以上；在晶格中a、b、c三個軸的熱膨脹各向異性主要受到RE-O鍵非簡諧性振動的影響，并隨著溫度的升高熱膨脹各向異性不斷減小，這有利于減小涂層內應力。