织构化低导热陶瓷材料及热传导机理研究

本课题以能源与环境为应用背景，以新型高温环境下隔热保温材料为研究目标，研究周期层状钙钛矿超晶格陶瓷材料为代表的织构化低导热陶瓷材料的合成与烧结工艺，材料各向异性热导率的表征与传热机理，研究热导率与结晶方向的关系。建立晶体结构与热导率关系的数学物理模型。利用对周期层状钙钛矿超晶格陶瓷材料组份优选和晶体结构的调控，发现一类在高温环境下新型的低导热率、化学与相结构稳定的陶瓷材料。

本课题采用第一性原理和泛函密度理论计算了YSZ, 稀土锆酸盐, 稀土磷酸盐, 双钙钛矿与页岩矿复合层状结构铝酸盐材料。通过第一原理计算结合半经验理论着重探讨了这些化合物的力学与热学性质的各向异性，同时研究稀土离子对性质影响的变化规律。.系统研究了YSZ中四方度对热导率，材料力学性能的影响。研究发现亚稳态的T相对材料的高温力学性能的影响很大。发现随着T相的分解，相浓度减少，材料的高温和室温弯曲强度显著降低，材料的断裂韧性和断裂功也随着T相的分解而降低。但是材料的弹性模量变化不大。YSZ中立方相是各向同性的，但是T相和T相是各相异性的。我们详细计算了T相和T相的弹性模量的各向异性，进而计算了其热导率的各向异性。研究还发现了通过添加二氧化钛可以提高YSZ的四方度，以及T相的稳定性，进而提高材料的高温力学性能。同时，YSZ的热导率随二氧化钛的添加出现先降低后升高的趋势。只要原因是低浓度二氧化钛掺杂时YSZ的锆位置被取代，导致点缺陷散射，而当高浓度二氧化钛掺杂时YSZ的间隙位置被填充，导致氧空位浓度降低，虽然钛掺杂引起缺陷浓度升高，形成光子散射增强，但是氧空位的散射效果更加强烈，因而热导率反而有些升高。.探索了高温下化学和相结构稳定的具有低热导率的织构化超晶格陶瓷材料。发现了双钙钛矿岩盐结构Ln2SrAl2O7 (Ln = La, Nd, Sm, Eu, Gd and Dy)的显著的导热和力学各向异性。进行了理论计算和实验验证。两者得到很好的吻合。.系统研究了复杂结构各向异性稀土硅酸盐材料的导热性能。合成与研究了显著各向异性的RE9.33(SiO4)6O2 陶瓷的合成与制备，研究了其导热机理和结构缺陷的关系。特别是获得阳离子空位、阴离子空位和阴离子间隙型的化合物，并详细研究了他们的导热机理。我们还采用拉曼激光共聚焦技术研究了RE9.33(SiO4)6O2的缺陷与导热。