高缺陷铝酸盐热障涂层材料的设计及性能调控

高缺陷铝酸盐（Ba2RAlO5）是一种有效解决热障涂层热氧化层（TGO）失效的新型热障涂层材料。Ba2RAlO5由于其晶体结构复杂，晶胞中含有高的阴离子缺陷以及良好的化学稳定性而适宜用作热障涂层陶瓷层材料。为改善热障涂层材料的综合性能，本项目以高温化学稳定的高缺陷铝酸盐为研究对象，基于声子导热理论和陶瓷的热膨胀理论，分析材料热物理性能的影响因素，提出低热导率、高热膨胀系数新型陶瓷的设计原则，拟通过多种元素掺杂的途径，采用共沉淀等实验手段制备高纯度高致密的新型高缺陷铝酸盐材料，并对材料成分、结构、性能之间的内在关系进行系统深入的研究，为最终研制出综合性能优良的新型可控陶瓷材料提供依据。本项目在探索新型热障涂层材料研究方面具有重要的科学意义，为新一代隔热涂层的开发和工程化应用提供实验数据和技术储备，同时对于航空航天国防科技和国民经济发展也具有重要意义。

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。