高温光子辐射与声子传导耦合效应对陶瓷热障涂层导热机理及隔热性能的作用机制

The surface temperature of thermal barrier coating in thrust-weight ratio more than 12 aircraft engine will be elevated over 1250℃ in the future. The effect of high temperature thermal radiation is very remarkable. And the interaction of the phonon conduction and photon radiation will change the fundamental of thermal transmission and the heat insulation performance in ceramic thermal barrier coating at elevated temperature. The study on action mechanism of coupling effect of photon radiation and phonon conduction on the fundamental of thermal transmission and the heat insulation performance in ceramic thermal barrier coating at elevated temperature will be conducted, up to make clear the coupling effect of photon radiation and phonon conduction on the behavior of thermal transmission and properties of heat insulation in coating at high temperature. A variety of organizational structure design composite coating will be prepared by advanced plasma spraying physical vapor deposition (PS - PVD) technology. The effect law of microstructure characteristics of ceramic coating on behavior and mechanism of thermal transmission will be researched and the thermal physical model in ceramic coating at high temperature will be established. In the future aircraft engine environment, the action mechanism of coupling effect of photon radiation and phonon conduction on the fundamental of thermal transmission and the degeneration of heat insulation performance in ceramic thermal barrier coating at elevated temperature will be revealed. For design, characterization and evaluation in super ceramic coating will provide the theory basis, and for the development of a new generation of super ceramic thermal barrier coating will establish the theoretical foundation.

未来推重比12以上航空发动机热障涂层表面温度将接近1250℃以上，高温热辐射作用非常显著, 高温光子辐射与声子传导的相互作用改变陶瓷涂层的导热机理及隔热性能。本项目针对目前最有发展潜力的锆酸盐超高温热障涂层，进行涂层介质中光子辐射与声子传导耦合效应对涂层导热机理及隔热性能作用的物理本质研究，以明确光子辐射与声子传导的耦合作用对涂层高温导热行为及隔热性能的影响机制。采用先进的等离子喷涂物理气相沉积（PS-PVD）技术，制备多种复合设计组织结构涂层，进行高温陶瓷涂层组织状态及结构特征对其高温导热行为、特性及机理的影响规律研究，建立陶瓷涂层高温导热物理模型。揭示未来航空发动机环境，高温热辐射与热传导耦合效应对涂层导热机理、隔热性能的影响机制及高温-长时服役条件下，陶瓷涂层隔热性能的退化机制。为超高温陶瓷涂层设计、表征及评估提供理论依据，为发展新一代超高温热障涂层奠定理论基础。

未来推重比12以上航空发动机热障涂层表面温度将接近1250℃以上，高温热辐射作用非常显著, 高温光子辐射与声子传导的相互作用改变陶瓷涂层的导热机理及隔热性能。本项目通过晶体结构研究、纳米颗粒研究，以及晶体内部点缺陷的设计，探究不同体系热障涂层材料的导热机理及隔热性能，明确微观结构与传热之间联系的物理本质，对热障涂层材料的高温辐射与声子传导传热进行调控，获得最佳的热障涂层候选材料；采用大气等离子喷涂(APS)技术制备的高温防护涂层，研究了高温条件下涂层的组织结构演变行为，以及结构变化对光子辐射和声子传导传热的影响规律，探究了涂层在高温条件下与火山岩灰(CMAS)反应的机理，成功制备了可以阻挡CMAS腐蚀的低热导率涂层，为将来设计超高温高隔热并抗CMAS腐蚀的长寿命热障涂层提供理论和实验指导。.研究了萤石结构La2Ce3O7、Y2O3部分稳定HfO2、多元稀土掺杂稳定HfO2陶瓷的室温至1500 ℃热导率，表明了其结构与光辐射的作用机理，阐明了萤石结构相较于烧绿石结构具有更好地阻光子传热作用的机理；研究了稀土掺杂Gd2Zr2O7和Y3Al5O12热障涂层材料，探讨稀土掺杂对于晶体结构影响机理。利用声子散射理论揭示了稀土掺杂对热障涂层声子传热的影响规律，表明萤石结构对于红外波段较低的透过率导致其具有良好的抗光子辐射的作用，纳米晶相对传统烧结陶瓷具有更低的热导率，通过引入点缺陷，在不改变晶体结构的同时，可以带来强烈的晶格畸变，造成热导率的显著降低。.采用等离子喷涂APS技术制备了单层(Y0.8Gd0.2)3Al5O12 (GYAG)和双层GYAG/YSZ高温防护涂层，对高温陶瓷涂层组织状态及结构特征对其高温导热行为、特性及机理的影响规律研究，阐明了高温-长时服役条件下，陶瓷涂层隔热性能的退化机制，表明涂层中的非晶相可以显著地降低热导率，但高温会使非晶相转变为晶相，隔热性能下降；研究了涂层高温服役性能，以及抗CMAS腐蚀的性能，阐明了热处理制度对微观组织结构、硬度和弹性模量的影响规律，揭示了GYAG涂层抗CMAS下渗的机理，建立了阻止CMAS侵蚀涂层的涂层材料和结构模型。