新型熱障涂層陶瓷隔熱層材料

薛召露, 郭洪波,2, 宮聲凱,2, 徐惠彬,2

（1．北京航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191；2．高溫結(jié)構(gòu)材料與涂層技術(shù)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100191）

隨著航空技術(shù)的不斷發(fā)展以及對(duì)飛行速度，飛行距離及安全性能等需求的不斷提升，燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)正在向高推重比、高效率、低油耗和長壽命方向發(fā)展。高的推重比和高的燃料使用效率勢(shì)必要求提高渦輪前進(jìn)口溫度（turbine inlet temperature，TIT）[1-2]。高的渦輪前進(jìn)口溫度對(duì)熱端部件提出了更為苛刻的要求。目前鎳基單晶高溫合金和陶瓷基復(fù)合材料（ceramic matrix composite，CMC）是制造發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的高溫結(jié)構(gòu)材料。最先進(jìn)鎳基單晶高溫合金的使用溫度接近1150 ℃，已接近承溫極限，CMC在高溫下使用時(shí)面臨嚴(yán)重的氧化和水汽腐蝕等問題。因此，采用熱障涂層技術(shù)是目前提高燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)高推重比和高熱效率的唯一切實(shí)可行的有效途徑。目前，美國、歐洲和我國等均已把熱障涂層（thermal barrier coatings, TBCs）、高溫結(jié)構(gòu)材料和高效葉片冷卻技術(shù)列為高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪葉片制造技術(shù)的三大關(guān)鍵技術(shù)[2-4]。

熱障涂層是將耐高溫、高隔熱陶瓷材料與基體材料復(fù)合，以降低熱端部件的表面溫度和改善基體材料的抗高溫氧化腐蝕為目的，進(jìn)而顯著提高發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比和熱效率，延長熱端部件在高溫高應(yīng)力狀態(tài)下的使用壽命的一種熱防護(hù)技術(shù)[1-8]，典型熱障涂層示意圖見圖1[8]。其中金屬黏結(jié)層主要用來緩解陶瓷涂層和基體之間由于熱膨脹系數(shù)不匹配產(chǎn)生的應(yīng)力和提高基體的抗氧化能力；陶瓷層在較為復(fù)雜、苛刻的服役工作環(huán)境主要起到隔熱保護(hù)的作用，它的性能對(duì)熱障涂層的承溫能力、服役壽命、發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的提高等都至關(guān)重要。因此，尋找低熱導(dǎo)率的材料是熱障涂層陶瓷材料發(fā)展的關(guān)鍵。此外，由于惡劣、苛刻的服役工作環(huán)境，熱障涂層陶瓷材料的選擇還受其他諸多項(xiàng)條件的限制，比如高熔點(diǎn)、高溫相穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、抗腐蝕、熱膨脹系數(shù)要與基體的熱膨脹系數(shù)相匹配、與金屬基體結(jié)合強(qiáng)度大、良好的抗燒結(jié)性等等。綜合考慮以上因素，可用于熱障涂層的材料非常有限，到目前為止，只有部分材料能基本滿足要求。目前，(質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%～8%)Y2O3部分穩(wěn)定的ZrO2（YSZ）是應(yīng)用最成功且最廣泛的熱障涂層陶瓷材料，但它仍然存在一些問題。當(dāng)長期服役溫度高于1200 ℃時(shí)，YSZ會(huì)發(fā)生相變和燒結(jié)，并伴隨有熱物理性能和力學(xué)性能退化、應(yīng)變?nèi)菹藿档秃土鸭y產(chǎn)生等，最終導(dǎo)致涂層失效[1, 7-10]。因此，為了適應(yīng)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片對(duì)更高服役溫度的需求，急需發(fā)展新型超高溫高隔熱熱障涂層陶瓷層材料。

近十幾年來，國內(nèi)外研究人員針對(duì)新型熱障涂層陶瓷材料、制備工藝、性能表征及性能預(yù)測(cè)等方面展開了廣泛而深入的研究，研究領(lǐng)域涉及材料、物理、化學(xué)、計(jì)算學(xué)等多學(xué)科的交叉。本文概述了近年來國內(nèi)外在多元氧化物摻雜ZrO2、A2B2O7型燒綠石或螢石化合物、磁鉛石型六鋁酸鹽化合物、石榴石型化合物、鈣鈦礦結(jié)構(gòu)化合物和其他新型氧化物陶瓷等先進(jìn)熱障涂層陶瓷材料的研究進(jìn)展并探討了其今后的發(fā)展動(dòng)向。

1 多元稀土氧化物摻雜 ZrO2

YSZ涂層中t′相的高溫穩(wěn)定性決定了熱障涂層體系的服役壽命，換句話說，通過第一性原理計(jì)算和實(shí)驗(yàn)已證明多元氧化物摻雜改性二氧化鋯（YSZ）可以進(jìn)一步降低熱導(dǎo)率和改善t′相的高溫相穩(wěn)定性，是提高隔熱性能和t′相高溫穩(wěn)定性的有效途徑之一，也是現(xiàn)在熱障涂層的研究熱點(diǎn)[11-14]。多元稀土氧化物摻雜YSZ的熱導(dǎo)率隨著氧化物總摻雜濃度的增加先減小后增加，另外，多元氧化物的摻雜還可以改善t′相的高溫穩(wěn)定性和提高涂層的熱循環(huán)性能[11]。然而，對(duì)于較高濃度的稀土氧化物摻雜，ZrO2中的c相是穩(wěn)定存在的，會(huì)降低其斷裂韌性等力學(xué)性能，進(jìn)而降低涂層的熱循環(huán)性能。冀曉娟等[13]采用第一性原理贗勢(shì)平面波方法分析了RE—O 鍵（RE = Ce，Gd，Nd，Yb）的晶格畸變和RE2O3摻雜ZrO2的鍵能，結(jié)果表明：RE原子的共價(jià)鍵半徑越大，RE—O鍵鍵集居數(shù)越小，晶格振動(dòng)頻率就越低。材料的導(dǎo)熱系數(shù)與晶格振動(dòng)頻率成正比；在RE2O3摻雜ZrO2中，Gd—O鍵鍵集居數(shù)最小，說明Gd2O3的摻雜可以更為顯著地降低ZrO2熱導(dǎo)率。

在ZrO2中同時(shí)引入Sc2O3和Gd2O3可以明顯地降低熱導(dǎo)率，并在室溫至1400 ℃范圍內(nèi)保持良好的高溫相穩(wěn)定性[14]。其中，在20～1400 ℃范圍內(nèi)，3.7 Sc2O3-3.7 Gd2O3-92.6 ZrO2（原子分?jǐn)?shù)/%，下同）陶瓷材料的熱導(dǎo)率在 1.47～1.58 W·m–1·K–1范圍內(nèi)波動(dòng)，比 4.5YSZ （2.35～2.65 W·m–1·K–1）低約40%，如圖2所示。張艷麗等研究了3% Gd2O3和3% Yb2O3（3Gd3Yb-YSZ）共摻雜 YSZ 材料[15]，結(jié)果表明：該材料主要是由c相組成，在25～1350 ℃范圍內(nèi)依然保持良好的相穩(wěn)定；在25～1200 ℃范圍內(nèi)其熱導(dǎo)率降至 1.18～1.25 W·m–1·K–1，明顯低于 YSZ，熱膨脹系數(shù)為（9.67～13） × 10–6K–1，與YSZ相當(dāng)。同時(shí)，采用EB-PVD制備的3Gd3Yb-YSZ熱障涂層在表面溫度為1100～1250 ℃時(shí)，燃?xì)鉄釠_擊的壽命大于15000次（每次加熱5 min，冷卻 100 s）。圖 3 是 EB-PVD 3Gd3Yb-YSZ 熱障涂層制備態(tài)截面和燃?xì)鉄釠_擊15000次后表面的形貌圖[15]。此外，Nb2O5/Ta2O3和稀土氧化物共摻雜ZrO2可以在不引入氧空位缺陷的情況下降低熱導(dǎo)率和改善高溫相穩(wěn)定性，而且還具有良好的抗V2O5和SO2等介質(zhì)熱腐蝕能力[16-19]。并不是所有的稀土氧化物摻雜改性YSZ都能提高YSZ的綜合熱力學(xué)性能。CeO2和La2O3摻雜改性YSZ雖然可以顯著地降低熱導(dǎo)率和在25～1600 ℃范圍內(nèi)保持高溫相穩(wěn)定性，但CeO2和La2O3的引入使涂層的硬度降低和涂層中元素的化學(xué)計(jì)量比明顯發(fā)生變化，更嚴(yán)重的是加速了涂層的燒結(jié)[20-21]。

2 A2B2O7 型燒綠石和螢石結(jié)構(gòu)化合物

A2B2O7型化合物（A為稀土元素，B為Zr，Hf，Ce等元素）有兩種晶體結(jié)構(gòu)：燒綠石結(jié)構(gòu)（空間群Fd3m（227））和螢石結(jié)構(gòu)（空間群 Fm3m（225）），如圖4所示。兩種晶體結(jié)構(gòu)的氧空位濃度相同，區(qū)別在于氧空位排列是否有序，燒綠石結(jié)構(gòu)可看成氧空位有序排列的螢石結(jié)構(gòu)。A2B2O7陶瓷材料具有比YSZ材料更高的氧空位濃度和更低的熱導(dǎo)率及良好的高溫相穩(wěn)定性，被認(rèn)為是替代YSZ的理想候選基質(zhì)之一[1-2, 5, 7, 22-28]。目前，研究較為廣泛的是燒綠石結(jié)構(gòu) Ln2Zr2O7（Ln = La, Gd, Sm, Nd,Eu）熱導(dǎo)率在700～1200 ℃范圍內(nèi)介于1.1～1.7 W·m–1·K–1[26]。

A2B2O7型稀土鋯酸鹽化合物中最具有代表性的是 La2Zr2O7和 Gd2Zr2O7。La2Zr2O7和Gd2Zr2O7具有高的熔點(diǎn)，1000 ℃時(shí)熱導(dǎo)率分別為1.6 W·m–1·K–1和 1.1 W·m–1·K–1，明顯低于 YSZ，且在室溫至熔點(diǎn)溫度范圍內(nèi)保持高溫相穩(wěn)定性，抗燒結(jié)性能良好[3-5, 29-30]。La2Zr2O7 和 Gd2Zr2O7 與Al2O3在高溫下的化學(xué)相容性差，它們的熱膨脹系數(shù)和斷裂韌度均較低，導(dǎo)致單獨(dú)La2Zr2O7涂層或Gd2Zr2O7涂層的熱循環(huán)壽命均比較低。對(duì)燒綠石結(jié)構(gòu)化合物的A位或B位摻雜，均可進(jìn)一步改善其熱物理性能。尤其是利用增強(qiáng)局域非簡諧振動(dòng)效應(yīng)采用半徑小而質(zhì)量大的原子取代A原子，可達(dá)到熱導(dǎo)率急劇降低的目的[31]。在Yb2O3摻雜Gd2Zr2O7中，（Gd0.9Yb0.1）2Zr2O7（GYbZ）陶瓷在20～1600 ℃ 具有最低的熱導(dǎo)率 0.8～1.1 W·m–1·K–1[32]。在（Nd1–xScx）2Zr2O7體系中，隨著 Sc2O3含量的增多，燒綠石結(jié)構(gòu)的有序度會(huì)降低，（Nd0.925Sc0.075）2Zr2O7具有最大的熱膨脹系數(shù)，而（Nd0.9Sc0.1）2Zr2O7是燒綠石結(jié)構(gòu)和螢石結(jié)構(gòu)的復(fù)合物[33]。（Sm2–xMgx）Zr2O7–0.5x(0 ≤ x ≤ 0.3）燒綠石結(jié)構(gòu)中，隨著 x 增大，熱膨脹系數(shù)顯著增加，并在x = 0.075時(shí)取得極大值 11.94 × 10–6K–1（室溫～1000 ℃）[34]，這是因?yàn)?Mg2+離子會(huì)由間隙固溶模型轉(zhuǎn)變成取代固溶模型，恰好x = 0.075 是一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

此外，RE2Hf2O7，RE2Sn2O7和 RE2Ce2O7也被認(rèn)為是有潛力的熱障涂層候選基質(zhì)材料。Schelling等通過分子動(dòng)力學(xué)模擬了燒綠石結(jié)構(gòu)化合物L(fēng)n2B2O7

（Ln = La, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Y, Er, Lu; B = Ti, Mo,Sn, Zr, Pb）的熱物理性能，在 1200 ℃ 時(shí)它們的熱導(dǎo)率在 1.40～3.05 W·m–1·K–1范圍內(nèi)[35]。Liu等通過第一性原理計(jì)算發(fā)現(xiàn)燒綠石結(jié)構(gòu)的La2Hf2O7的最小熱導(dǎo)率只有 0.87 W·m–1·K–1，遠(yuǎn)低于 YSZ 和其他一些熱障涂層候選基質(zhì)材料[36]。瞿志學(xué)等揭示了RE2Sn2O7熱膨脹系數(shù)與YSZ相當(dāng)，但是只有部分RE2Sn2O7的熱導(dǎo)率低于YSZ的熱導(dǎo)率[37]。La2Ce2O7（LC）是新型的熱障涂層候選基質(zhì)材料之一，是La2O3固溶到CeO2中形成的具有螢石結(jié)構(gòu)的固溶體。LC 具有低熱導(dǎo)率（0.60 W·m–1·K–1,1000 ℃）、高熱膨脹系數(shù)（約 13 × 10–6K–1，300～1200 ℃）、良好的高溫相穩(wěn)定性能（室溫至1400 ℃無相變）[3]。LC材料在200～400 ℃溫度區(qū)間熱膨脹系數(shù)存在異常下降現(xiàn)象。馬文等研究了Ta2O5摻雜改性LC，發(fā)現(xiàn)改性LC材料在低溫段熱膨脹系數(shù)異常下降的現(xiàn)象得到抑制，并且進(jìn)一步降低了LC的熱導(dǎo)率[38]。

3 磁鉛石型結(jié)構(gòu)化合物

磁鉛石型化合物 LnMAl11O19或LnTi2Al9O19（Ln 可為 La，Gd，Sm，Yb，M 可為 Mg，Mn，Zn，Cr，Sm）由于具有高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、低燒結(jié)速率、低熱導(dǎo)率等特征成為近年來熱障涂層領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)[39-41]。目前，LaMgAl11O19，SmMgAl11O19，GdMgAl11O19，（Gd, Yb）MgAl11O19，LaTi2Al9O19等磁鉛石類熱障涂層材料已被相繼報(bào)道[42-44]。Bansal等揭示了不同稀土氧化物的摻雜改性可以顯著降低 LnMgAl11O19（Ln = La，Gd，Sm，Yb）熱導(dǎo)率，但是LnMgAl11O19的熱膨脹行為與結(jié)構(gòu)有關(guān)，與組成無關(guān)，其熱膨脹系數(shù)約為 9.6 × 10–6K–1（200～1200 ℃）[40]。由于 LaMgAl11O19（LMA）中片層狀結(jié)構(gòu)的隨機(jī)排列，導(dǎo)致LMA具有較低彈性模量（295 GPa）和高斷裂韌度（4.60 ± 0.46） MPa·m1/2），因此，LMA涂層被認(rèn)為是具有較長的熱循環(huán)性能且很有潛力的熱障涂層之一；但是LMA在高溫潮濕環(huán)境下會(huì)發(fā)生潮解，導(dǎo)致磁鉛石結(jié)構(gòu)發(fā)生變化；同時(shí)LMA在等離子噴涂過程中也會(huì)產(chǎn)生無定形態(tài)組織，在服役過程中引起重結(jié)晶伴隨體積大量收縮進(jìn)而導(dǎo)致涂層失效[45-46]。

另外，謝小云等研究了具有磁鐵鉛礦結(jié)構(gòu)的LaTi2Al11O19（LTA）材料和熱障涂層[41, 47-49]。LTA材料在室溫到1600 ℃保持良好的相穩(wěn)定性，LTA 塊材在 1400 ℃ 的熱導(dǎo)率為 2.3 W·m–1·K–1，與YSZ 相當(dāng)，熱膨脹系數(shù)為（8 ～12 ）× 10–6K–1（200～1400 ℃），滿足熱障涂層的需要。LTA熱障涂層在300～1500 ℃ 的熱導(dǎo)率為 1.0～1.3 W·m–1·K–1。LTA/YSZ雙陶瓷層熱障涂層在1100 ℃下的熱循環(huán)壽命達(dá)到500 h以上。在涂層表面溫度為（1300 ±50） ℃，保溫10 min的高溫燃?xì)鉄釠_擊條件下，LTA/YSZ雙陶瓷層熱障涂層經(jīng)過2000次循環(huán)沒有發(fā)生剝落，經(jīng)過4157次循環(huán)涂層失效，循環(huán)壽命較YSZ涂層有很大的提高。另外，LTA涂層還具有抗熔鹽（Na2SO4和V2O5）熱腐蝕的能力[50]。

4 石榴石型化合物

石榴石型稀土鋁酸鹽化合物（RE3Al5O12）是高溫?zé)嵴贤繉犹沾刹牧系暮蜻x材料之一。尤其是Y3Al5O12具有高溫結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，直至熔點(diǎn)也不發(fā)生過相變和極低的氧透過率（比氧化鋯中的大約低10個(gè)數(shù)量級(jí)），可以有效地保護(hù)黏結(jié)層不被氧化[3, 51-56]。圖5是Y3Al5O12晶體結(jié)構(gòu)示意圖。

Padture和Zhou等通過第一原理和實(shí)驗(yàn)證實(shí)了石榴石性化合物作為候選TBC的潛力[51, 55]。石榴石型Y3AlxFe5–xO12陶瓷的導(dǎo)熱系數(shù)接近于YSZ，通過計(jì)算可知Y3Al5O12和Yb3Al5O12的極限熱導(dǎo)率分別為 1.59 W·m–1·K–1和 1.59 W·m–1·K–1。另外，通過Yb3+離子和Gd3+離子分別部分取代Y3Al5O12中Y3+離子，在保持石榴石型結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上可以降低其熱導(dǎo)率（～1.6 W·m–1·K–1，1200 ℃）（如圖6所示），同時(shí)Gd3+離子的部分取代還提高了Y3Al5O12的熱膨脹系數(shù)[57-58]。歐陽家虎等制備了LaMgAl11O19-Yb3Al5O12陶瓷復(fù)合材料，該復(fù)合材料主要以磁鐵鉛礦和石榴石結(jié)構(gòu)存在，其熱導(dǎo)率從室溫至 1200 ℃ 范圍內(nèi)在 2.6～3.9 W·m–1·K–1之間波動(dòng)[59]。Su等采用等離子噴涂在YSZ涂層表面和YSZ與黏結(jié)層NiCoCrAlY之間制備了Y3Al5O12涂層，研究了涂層的微觀結(jié)構(gòu)、熱導(dǎo)率、高溫相穩(wěn)定性和抗氧化性等，結(jié)果表明Y3Al5O12能夠改善YSZ在高溫下的t′相穩(wěn)定性且提高了涂層的抗氧化腐蝕性能[60]；但是，石榴石型稀土鋁酸鹽還存在著較低熱膨脹系數(shù)（9.1 × 10–6K–1，1000 ℃）和噴涂過程中產(chǎn)生一定數(shù)量的非晶相等問題，制約了其在熱障涂層領(lǐng)域的應(yīng)用。

5 鈣鈦礦結(jié)構(gòu)化合物

鈣鈦礦結(jié)構(gòu)化合物因熔點(diǎn)高、熱膨脹系數(shù)較大、熱導(dǎo)率較低，是一類潛在的熱障涂層陶瓷層材料。其中，SrZrO3熱膨脹系數(shù)比YSZ大，彈性模量和硬度較低、斷裂韌度與YSZ相當(dāng)，這些性能表明SrZrO3適合作為熱障涂層的候選基質(zhì)之一[5, 61]；但SrZrO3的熱導(dǎo)率為 2.08 W·m–1·K–1（1000 ℃）和高溫下發(fā)生相變限制了其在熱障涂層中的應(yīng)用。馬文等通過Y2O3與Gd2O3共摻雜改性SrZrO3將1000 ℃ 時(shí)的熱導(dǎo)率降至 1.36 W·m–1·K–1，比 YSZ低大約35%，且在20～1400 ℃范圍內(nèi)具有良好的高溫相穩(wěn)定性[62-63]。另外，等離子噴涂制備的SrZrO3涂層還具有良好的抗CMAS腐蝕的能力[64]。

郭磊等研究了具有Ruddlesden-Popper結(jié)構(gòu)的層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)化合物BaLn2Ti3O10，其晶體結(jié)構(gòu)如圖7所示[65]。該化合物具有晶體結(jié)構(gòu)的各向異性，它的熱膨脹系數(shù)在a-b平面方向和沿c軸方向分別為（9.5 ～11.3 ）× 10–6K–1和（10.4 ～12.1） ×10–6K–1，熱導(dǎo)率在 a-b 平面方向?yàn)?1.41～1.71 W·m–1·K–1，沿 c 軸方向?yàn)?1.31～1.60 W·m–1·K–1，均明顯低于YSZ，BaLn2Ti3O10表現(xiàn)出優(yōu)異的耐燒結(jié)性能，在1500 ℃以下保持相穩(wěn)定性。采用大氣等離子噴涂技術(shù)制備了近似化學(xué)計(jì)量比的BaLaTi3O10熱障涂層，該涂層在 1200 ℃ 的熱導(dǎo)率為 0.7 W·m–1·K–1，涂層的熱循環(huán)性能優(yōu)于YSZ涂層[66]。

Ln2SrAl2O7(Ln = Lanthanide) 是一類Ruddlesden-Popper結(jié)構(gòu)化合物，根據(jù)第一性原理計(jì)算了Ln2SrAl2O7的熱物理性能和力學(xué)性能，揭示了其具有高度的各向異性[67]。Ln2SrAl2O7在[001]方向上熱膨脹系數(shù)較大，熱導(dǎo)率較低。另外，具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的 Ln2SrAl2O7（Ln = Dy，Er，Yb）具有很高的氧空位濃度[68]。由于低熱導(dǎo)率（約 1.1 W·m–1·K–1，1000 ℃）和高的熱膨脹系數(shù)（約 12.0 × 10–6K–1,1300 ℃），Ln2SrAl2O7被認(rèn)為是很有應(yīng)用前景的熱障涂層候選陶瓷材料之一。

6 其他新型陶瓷材料

除了上述的熱障涂層陶瓷層候選材料之外，許多其他氧化物，例如獨(dú)居石稀土磷酸鹽和InFeZnO4陶瓷，由于具有較低的電導(dǎo)率，也是很有潛力的TBCs陶瓷層材料。

獨(dú)居石LaPO4由于具有低熱導(dǎo)率、高熱膨脹系數(shù)、高溫相穩(wěn)定性和優(yōu)異的抗S和V等氧化物腐蝕性能，是一種潛在的熱障涂層陶瓷層材料[3, 69]；但LaPO4是一種線型化合物，其熔點(diǎn)可以從2072 ℃變化到1050 ℃，難以通過熱噴涂技術(shù)制備符合化學(xué)計(jì)量比的LaPO4涂層。LaPO4可以和其他候選材料組成復(fù)合陶瓷，進(jìn)一步降低熱導(dǎo)率，提高抗火山灰、Na2SO4和 V2O5等能力[69-71]。

InFeZnO4是一種有潛力的熱障涂層材料[72-74]。這是因?yàn)?InFeZnO4陶瓷熱導(dǎo)率低 (1.36 W·m–1·K–1,1200 ℃)，熱膨脹系數(shù)高 (11.7 × 10–6K–1, 200 ℃)，室溫至1400 ℃內(nèi)保持相穩(wěn)定性。InFeZnO4的通式是 InFeO3(ZnO)m(m = 1～19)，它是一種層狀化合物，由沿著c軸交替堆疊的InO2-和(FeZn)O2+層組成，其晶胞結(jié)構(gòu)如圖8所示。張超磊等研究了InFeO3(ZnO)m(m = 2, 3, 4, 5) 陶瓷塊材的熱物理性能[73]，研究表明，InFeO3(ZnO)3在 1000 ℃ 時(shí)的熱導(dǎo)率為 1.38 W·m–1·K–1，900 ℃ 時(shí)的熱膨脹系數(shù)值為11.28 × 10–6K–1。此外，Yb/Gd 摻雜 InFeZnO4陶瓷的熱導(dǎo)率比InFeZnO4相對(duì)較低，在室溫到1450 ℃之間具有良好的相穩(wěn)定性[75]。圖9為In1–xYb(Gd)xFeZnO4(x = 0, 0.1, 0.2)的熱導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù)與溫度的關(guān)系[75]。隨著Yb/Gd含量的增加，In1–xYb(Gd)xFeZnO4(x = 0.1, 0.2)的熱導(dǎo)率逐漸降低。在 1000 ℃時(shí)，其熱膨脹系數(shù)約為 12.5 × 10–6K–1，與 InFeZnO4陶瓷相近。

7 熱障涂層陶瓷層材料所面臨的挑戰(zhàn) 與發(fā)展動(dòng)向

近年來，隨著先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片熱障涂層服役溫度、服役壽命以及隔熱性能的不斷提升，超高溫、高隔熱、長壽命熱障涂層的研制已成為國際高溫防護(hù)涂層領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。與傳統(tǒng)YSZ熱障涂層相比，新型熱障涂層材料無論在高溫相穩(wěn)定性、抗燒結(jié)性能還是隔熱性能等方面均有明顯改善。然而，新型熱障涂層材料仍然面臨著許多挑戰(zhàn)。首先，新型陶瓷材料缺乏系統(tǒng)的研究，目前主要側(cè)重于熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)或高溫相穩(wěn)定性，還找不到綜合性能與YSZ相近的陶瓷材料。例如稀土鋯酸鹽存在著熱膨脹系數(shù)小、斷裂韌度低、與TGO的高溫化學(xué)相容性差、涂層制備過程中化學(xué)成分嚴(yán)重偏析等問題。其次，隨著熱障涂層服役溫度不斷提升，光子輻射傳熱影響越來越顯著，導(dǎo)致涂層高溫隔熱性能嚴(yán)重下降。此外，在復(fù)雜的發(fā)動(dòng)機(jī)服役環(huán)境下，新型熱障涂層材料的高溫穩(wěn)定性，尤其是環(huán)境沉積物CMAS作用下導(dǎo)致的涂層壽命和隔熱性能下降等問題，都亟待解決。

熱障涂層陶瓷隔熱層材料的發(fā)展方向主要有以下幾個(gè)方面：（1）超高溫、高隔熱、抗燒結(jié)的新型陶瓷材料研制；（2）通過摻雜或復(fù)合改善原有陶瓷材料的力學(xué)性能；（3）通過新型制備工藝在材料中引入缺陷團(tuán)簇、納米相等增強(qiáng)聲子的散射及加強(qiáng)局部非簡諧振動(dòng)，以降低熱導(dǎo)率和提高斷裂韌度；（4）高反射率、低熱導(dǎo)率的新型陶瓷材料的研制，提高材料高溫和超高溫的隔熱性能；（5）抗CMAS腐蝕陶瓷材料的研制。

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