高缺陷铝酸盐热障涂层材料的设计及性能调控

随着航空发动机的快速发展，现役的热障涂层陶瓷层材料已不能满足使用要求，需要寻找新型的陶瓷层材料。本项目根据晶体化学和固体物理理论，开发研制了新型类钙钛矿结构的高缺陷铝酸盐（Ba2(YbxDy1-x)AlO5）热障涂层材料，并对其材料制备、微观结构表征、性能评价等方面进行了深入的研究。.基于陶瓷的声子导热及热膨胀理论，在分析影响材料热导率和热膨胀系数因素的基础上，提出了低热导率高热膨胀系数高缺陷铝酸盐材料的设计原则。在Ba2DyAlO5的基础上，通过Yb元素掺杂的方式，以增强晶胞对声子的散射作用以及晶胞的非谐性振动，达到降低材料热导率、提高热膨胀系数的目的，从而设计了Ba2(YbxDy1-x)AlO5（x=0~0.5）系列高缺陷铝酸盐材料。.通过对煅烧温度、保温时间和煅烧方式的研究，确定出Ba2(YbxDy1-x)AlO5（x=0~0.5）粉体的固相合成工艺为1200℃预煅烧8h后升温至1500℃煅烧2h。利用无压烧结法和热压烧结法均成功制备出单相致密的Ba2(YbxDy1-x)AlO5（x=0~0.5）陶瓷，所制得的系列陶瓷具有单一的类钙钛矿结构结构，晶粒尺寸均匀，晶界清晰可见，无其他相存在。 .Ba2(YbxDy1-x)AlO5（x=0~0.5）材料的热导率在1.02~1.27 W/(m•K)之间，热膨胀系数在11.25~11.70×10-6/K之间，均优于YSZ和Sm2Zr2O7材料。随着Yb元素掺杂量的增加，材料的热导率先降低后升高，其中Ba2(Yb0.1Dy0.9)AlO5的热导率最低，这是掺杂引起的晶格畸变和结构容忍度因子综合作用的结果。热膨胀系数随着Yb元素掺杂量的增加逐渐增大，是由于掺杂Yb元素后降低了Re-O键的结合能。.Ba2(YbxDy1-x)AlO5（x=0~0.5）在室温~1400℃的范围内相结构稳定，具有良好的高温相稳定性。同时，在1300℃保温8h的条件下，Ba2(YbxDy1-x)AlO5（x=0~0.5）与Al2O3扩散反应十分微弱，具有较优良的化学稳定性能，当温度升高时，界面反应明显，二者间的化学稳定性能降低。.综上所述， Ba2(YbxDy1-x)AlO5（x=0~0.5）材料具有较为优良的综合热物理性能，有望成为热障涂层候选材料。