中國(guó)粉體網(wǎng)訊 現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪普遍采用鎳基高溫合金，其最高工作溫度大約是1100℃，四代航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前溫度已經(jīng)達(dá)到1600℃，抵達(dá)材料表面溫度也有1100℃，此種高溫極端環(huán)境下材料易變軟，導(dǎo)致無(wú)法承受高速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)力，且未來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉁囟扔锌赡艹^(guò)2000℃，抵達(dá)材料表面溫度更在1500℃以上，因此僅憑鎳基高溫合金材料本身已不能適應(yīng)要求，需要熱障涂層來(lái)進(jìn)一步降低材料工作溫度。
熱障涂層（TBCs）是先進(jìn)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)核心熱端部件高壓渦輪葉片的關(guān)鍵技術(shù)，已經(jīng)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)和地面燃?xì)廨啓C(jī)上獲得成功應(yīng)用的熱障涂層陶瓷隔熱層材料為氧化釔部分穩(wěn)定氧化鋯（YSZ）。由于受高溫穩(wěn)定性、隔熱性能等的局限，YSZ已不能滿足下一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展要求。因此，近十幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究人員針對(duì)新型熱障涂層陶瓷材料、制備工藝、性能表征及性能預(yù)測(cè)等方面展開了廣泛而深入的研究。
近日，中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院有限公司所屬國(guó)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。國(guó)檢集團(tuán)萬(wàn)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。
該研究主要是采用冷等靜壓結(jié)合無(wú)壓燒結(jié)法合成出致密度為93.7%RD的高熵氧化物陶瓷。對(duì)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7.9GPa，抗彎強(qiáng)度為187.9MPa。此外，彈性模量和剪切模量分別從25℃時(shí)的148.05GPa和56.68GPa下降到1200℃時(shí)的117.44GPa和44.63GPa。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。
什么是高熵?zé)嵴贤繉犹沾刹牧希?/strong>
高熵?zé)嵴贤繉犹沾刹牧弦栽胁牧系慕Y(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，在特殊原子占位上引入局部高熵設(shè)計(jì)，使得材料的某些性能因高熵設(shè)計(jì)得以改善，從而更好地滿足熱障涂層使用要求。
目前，絕大部分高熵?zé)嵴贤繉犹沾刹牧现械母哽卦O(shè)計(jì)均以稀土元素為主，這是由于鑭系元素具有原子尺寸差異小、性質(zhì)相似的特點(diǎn)，更有利于形成穩(wěn)定的單相固溶體，從而達(dá)到調(diào)控材料綜合性能的目的。其中，高熵稀土鋯酸鹽陶瓷均具有良好的高溫相穩(wěn)定性、良好的抗燒結(jié)性以及超低的熱導(dǎo)率，高熵稀土鋯酸鹽在諸多綜合性能的組合上達(dá)到了較好的平衡。
幾種典型高熵?zé)嵴贤繉犹沾刹牧闲阅軆?yōu)缺點(diǎn)的對(duì)比
高熵?zé)嵴贤繉犹沾蔁釋?dǎo)率、熱膨脹系數(shù)和斷裂韌性比較
高熵?zé)嵴贤繉犹沾刹牧蠠釋?dǎo)率的降低是比較明顯的趨勢(shì)，熱膨脹性能和斷裂韌性也能得到一定程度的調(diào)控。為滿足下一代高推重比、低油耗比的高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制需求，新一代熱障涂層陶瓷候選材料層出不窮。可以預(yù)見(jiàn)，高熵稀土鋯酸鹽、高熵稀土鉭酸鹽和高熵稀土氧化物等是未來(lái)新型熱障涂層陶瓷層較有潛力的幾種代表材料。
來(lái)源：中國(guó)建材總院
羅學(xué)維等：高熵?zé)嵴贤繉犹沾刹牧涎芯窟M(jìn)展
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/空青）
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