A2AlTaO7基稀土钽铝酸盐设计及热物理性能调控

Seeking to new ceramic materials of excellent thermophysical property is a key researching direction in the field of thermal barrier coatings. In present project, A2AlTaO7-based oxides was regarded as the research object in order to elucidate the impaction rule of phonon thermal conduction theory on its thermal conductivity, which can be used to design the constituent, structure and property. The constituent, crystal structure and thermophysical property of A2AlTaO7-based oxides were regulated by doping with second phases. The designed A2AlTaO7 powders were prepared by sol-gel method. By detailed exploration about the relation between constituent, crystal structure and thermophysical property, the mechanism of regulation and thermal conduction about this type oxides was established. The research results of the current project will provide theoretical guidance for preparation new ceramic materials for thermal barrier coatings and property regulation. All the results are technical provision for developing new-type advanced engines, and they can also provide new thought and method for the development of other ceramic materials for thermal barrier coatings.

寻求良好热物理性能的新型陶瓷材料是热障涂层领域的研究热点，本项目以A2AlTaO7基稀土钽铝酸盐为研究对象，拟探明声子对该类材料导热性能的影响规律，进而对高温隔热陶瓷的成分、结构和性能进行设计。采用第二相掺杂等途径对A2AlTaO7基氧化物的成分、结构和热物理性能进行调控，采用溶胶凝胶法合成成分均匀的稀土钽铝酸盐粉体，通过对该类氧化物成分、结构和导热性能三者内在关系的深入探索，建立该陶瓷的导热性能调控机制，揭示导热机理，为最终制备出良好热物理性能的新型热障涂层材料及有效调控陶瓷的隔热性能提供理论指导。本项目的研究将为我国自主研发新型航空发动机做好技术储备，也可为将来研究其它具有更低热导率热障涂层材料提供可以借鉴的思路和方法。

热障涂层由于能够保护先进航空发动机燃烧室的关键热端部件， 从而在先进涡轮航空发动机的发展过程中占有重要地位。然而，现役氧化钇部分稳定氧化锆(Y2O3 stabilized zirconia，建成YSZ)涂层由于高温相变、烧结收缩严重、隔热性能下降等缺点，已经难于满足航空发动机进一步发展的需要。有必要研究开发新型低热导率高热膨胀系数的新型热障涂层表面陶瓷层材料，以替代现役的YSZ涂层。本项目以A2AlTaO7型稀土钽铝酸盐为基础，基于声子导热机理及热膨胀理论，对其进行掺杂设计，设计出(La1-xYbx)2AlTaO7、(Nd1-xYbx)2AlTaO7、(Gd1-x Ybx)2AlTaO7、(Sm1-xGdx)2AlTaO7、Sm2AlY1-xAlxO7和Sm2AlTa1-xNbxO7等几个系列固溶体，采用固相反应法制备上述材料并研究了其相组成、显微组织、元素组成、热导率、热膨胀系数及相稳定性能。研究结果表明， 除Sm2AlTa1-xNbxO7固溶体由于Nb2O5熔点限制无法合成，其余固溶体均成功合成。(La1-xYbx)2AlTaO7的热导率在掺杂量随掺杂量增加而升高，(Nd1-xYbx)2AlTaO7、(Gd1-xYbx)2AlTaO7和(Sm1-xGdx)2AlTaO7热导率随掺杂量先降低后增加，Sm2AlY1-xAlxO7热导率随掺杂量增加而降低，但其热导率均满足热障涂层的需要。(La1-xYbx)2AlTaO7和(Nd1-xYbx)2AlTaO7的热膨胀系数随Yb掺杂量增加先降低后增大，(Gd1-xYbx)2AlTaO7热膨胀系数随Yb掺杂量增加而增大，(Sm1-xGdx)2AlTaO7和Sm2AlY1-xAlxO7的热膨胀系数均随掺杂量增加而减小，这几个系列固溶体热膨胀系数均满足热障涂层的要求，并在室温-1200℃范围内表现出良好的相稳定性能。此外，还研究了部分A2ATaO7固溶体及A3Ce7Ta2O23.5的热物理性能。这些固溶体均有潜力用作新型热障涂层表面陶瓷层材料。本项目的研究将为开发性能更加优良新型热障涂层提供理论与数据支持。