六铝酸盐片晶增韧稀土锆酸盐热障氧化物材料的制备与热物理性能研究

稀土锆酸盐陶瓷由于具有低热导率、高热膨胀系数和高热化学稳定性等优点，被认为是最有希望替代6-8wt.%Y2O3-ZrO2的热障氧化物陶瓷材料；但是其力学性能较差，会严重影响其使用寿命。为此本项目针对高性能高温热障氧化物陶瓷材料的要求，首次提出采用六铝酸盐片晶增韧稀土锆酸盐复相陶瓷材料的新思路，通过制备技术的突破获得致密的六铝酸盐片晶增韧稀土锆酸盐复相陶瓷材料。研究六铝酸盐片晶对复相陶瓷材料力学性能的影响规律，阐明复相陶瓷材料的增韧机理和高温断裂损伤机理；同时研究复相陶瓷材料的相稳定性和热物理性能，阐明复相陶瓷材料的组成、相界面和氧空位浓度等因素对热物理性能的影响规律。综合考虑复相陶瓷材料的力学性能、热物理性能和相稳定性，优选出复相热障氧化物材料的组成，本项目的实施和完成对开发新型高性能高温热障氧化物陶瓷材料具有重要的科学意义和实际工程应用价值。

采用高温固相反应法制备了稀土锆酸盐、六铝酸盐及稀土锆酸盐基复相陶瓷材料，对其微观组织结构、热腐蚀行为、力学性能、热膨胀行为和热辐射行为进行了研究。. (Sm1–xYbx)2Zr2O7的V2O5腐蚀行为，600oC/2h和600oC/8h下产物为ZrV2O7和对应稀土元素的钒酸盐，即SmVO4、(Sm,Yb)VO4和YbVO4；700oC/2h下产物为m-ZrO2、少量的ZrV2O7和LnVO4；800~1100oC/2h和700~1100oC/8h下产物为m-ZrO2和LnVO4。(Sm1–xYbx)2Zr2O7在900~1100oC与Na2SO4反应2h和8h后，均没有新相产生，说明在该温度范围内(Sm1–xYbx)2Zr2O7与Na2SO4不反应。(Sm1–xYbx)2Zr2O7与等摩尔比的Na2SO4+V2O5混合物在600~1100oC内反应2h和8h后，产物除m-ZrO2外还有对应的稀土钒酸盐。随着Yb含量的增加，(Sm1–xYbx)2Zr2O7的抗热腐蚀性能增强。. NdMgAl11O19与V2O5在950oC反应生成的产物为：α-Al2O3, NdVO4和MgAl2O4。随热腐蚀时间的增加，α-Al2O3的相对含量逐渐增加，而NdVO4的相对含量逐渐减少，反应50h后α-Al2O3是主要的腐蚀产物。. 稀土锆酸盐基复相陶瓷材料的力学性能得到了明显改善，锆酸钕基、锆酸钐基和锆酸钆基复相陶瓷材料的室温抗弯强度分别由64.1、58.4和75.0MPa提高到182.6、202.1和228.4MPa；相应断裂韧性分别由0.97、3.38和3.50MPa•m1/2提高到2.31、7.65和9.45MPa•m1/2。稀土锆酸盐基复相陶瓷材料在200到1300oC内平均热膨胀系数为(10.7~11.3)×10–6K–1。. 六铝酸盐陶瓷在3~14μm波段内法向光谱发射率大于0.7，尤其在6~11μm 波段大于0.9。基于Kirchhoff定律，通过对陶瓷晶格振动和电子跃迁机制的研究，阐明了六铝酸盐陶瓷的热辐射机理：在1~6μm波段内发射率由掺杂离子吸收带(峰)的位置及电子辐射跃迁强度决定，而在6~14μm波段内的高发射率源于其Al-O四面体和八面体的伸缩振动。