硅和铈掺杂锆酸镧性质第一性原理研究

锆酸镧是一类新型热障涂层材料,为重型燃气轮机、航空发动机和高超声速飞行器的高温零部件表面提供隔热降温的作用。其热膨胀系数低于现服役的钇稳定氧化锆,与粘结层的热膨胀系数不匹配,且断裂韧性比较低,导致该材料缺乏良好的增韧机制。因此,如何提高它的热膨胀系数和断裂韧性是这一领域的研究热点。应用密度泛函理论第一性原理方法对锆酸镧,及分别用硅和铈元素以一系列比例掺杂锆酸镧结构进行优化令其稳定。研究发现随Si掺杂含量增加,结构带隙展宽,弹性常数逐渐增加,结构仍保持脆性特征,断裂韧系数,平均声速、德拜温度以及最低导热系数都逐渐增加,热膨胀系数逐渐降低。而Ce取代则出现相反趋势。综合而言,与纯净锆酸镧相比,Ce掺杂有更好的弹性模量,最小导热系数和热膨胀系数,Si掺杂有更好的断裂韧性。

Mo基体上锆酸镧热障涂层的研究

利用自行研制的La1.4Nd0.6Zr2O7(LNZ)喷涂粉末,采用大气等离子喷涂在Mo基体上制备LNZ热障涂层。测试粉末的各项热物理性能,考核涂层的抗热震性能和高温隔热性能,并与常规氧化钇稳定氧化锆(YSZ)涂层进行比较。结果表明,与YSZ相比,LNZ由于具有热膨胀系数小、导热系数低、烧结速率低等特点而更适合在Mo基体作为热障涂层使用。

纳米锆酸镧团聚体特性及等离子涂层性能的研究

采用喷雾干燥法制备了纳米锆酸镧团聚体粉末,采用大气等离子喷涂制备了纳米锆酸镧涂层,并用扫描电镜和XRD对涂层的微观组织结构进行了研究。结果表明:喷雾干燥法制备的纳米La_2Zr_2O_7团聚体,粒度接近正态分布,流动性好,松装密度较大。采用大气等离子喷涂制备纳米锆酸镧涂层中存在一定量的孔隙和微裂纹,利于隔热。纳米锆酸镧热障涂层在1473K烧蚀8h后的相结构稳定。

锆酸镧涂层高温结构演变及热导性能

采用固相反应法制备 La2Zr2O7原料粉体,经喷雾造粒后,采用大气等离子喷涂工艺(air plasma spray,APS)制备 La2Zr2O7涂层。重点研究 La2Zr2O7 涂层在高温长时间条件下的物相组成、微观结构以及导热性能。结果表明:La2Zr2O7涂层具有烧绿石单相结构,密度平均值为 5.24 g cm^3,相成分及密度均不随热处理时间的延长而发生明显变化;初始态涂层内部存在大量非晶态结构,能够有效阻碍声子的传递,涂层热导率可低至 0.392 W·m^-1· K^-1;经高温热处理后,非晶态结构逐渐转变为晶态结构,声子传递效率明显提高,导致涂层热导率显著上升;同时,热处理后的涂层高温热导率的回升现象明显减弱。

铈锆酸镧涂层高温时效行为和热震性能研究

采用等离子喷涂制备了铈锆酸镧涂层,采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射分析(XRD)、图像分析法等研究了喷涂功率对沉积态涂层表面和截面微观结构、孔隙率等的影响规律,研究了涂层在1200℃、1300℃高温100h时效下相稳定性、微观结构、孔隙率的变化,比较了不同喷涂功率涂层的抗热震性能。研究结果表明:随着等离子喷涂功率的增加,喷涂过程中半熔融颗粒比例减小,涂层的孔隙率减小。涂层经1200℃、1300℃高温保温100 h后仍然具有单一的烧绿石结构,随着热处理温度升高,涂层孔隙率减小。研究了不同功率喷涂的涂层从1250℃到冷水中的热震行为,失效机制分析表明:陶瓷层与粘结层热应力不匹配造成陶瓷层底部产生裂纹是导致涂层失效的主要方式。

EB-PVD锆酸镧热障涂层抗高温氧化性能研究

在高温合金基体上采用EB-PVD技术制备了锆酸镧(La2Zr2O7,LZ)热障涂层,研究了涂层的抗高温氧化性能;采用XRD分析了经历不同氧化时间后涂层的相结构,分别采用SEM和EDS观察和分析了氧化前后涂层的显微形貌和成分,并对可能导致涂层失效的原因进行了分析。结果表明,在相同的试验条件下,LZ的氧化增重速率低于8%Y2O3稳定氧化锆(质量分数);氧化试验后LZ涂层保持了沉积态完整的细小柱状晶结构,表面的显微形貌也基本保持了沉积态的状况;XRD分析结果显示,涂层没有发生可观察到的相变和烧结现象;循环氧化后,LZ涂层局部区域的柱状晶头部发生了断裂脱落失效,LZ的热膨胀系数较低、弹性模量较大以及断裂韧度较低,是造成这种现象的主要原因。

烧绿石型锆酸镧B位掺杂电学性能研究

通过固相反应法,用M2O3(M分别为Er、Yb、Sc、Y、Gd)掺杂锆酸镧,研究了La2Zr2-xMxO7-!的电学性能,用扫描电镜和X-射线衍射仪对试样的微观结构和物相进行了分析,500～1000℃范围内在干氢气、湿氢气和空气气氛下测量电导率。实验结果表明,随着x的增加电导率也增大,当x=0.4时电导率达最大值,x值继续增加时电导率降低。在掺杂离子中,Yb掺杂的La2Zr2O7具有最大的电导率,700℃质子电导率为0.001S/cm。还研究了烧结时间对电导率的影响,烧结时间越长电导率越大。

静电纺丝法制备锆酸镧超细纤维

为了获得直径更加均匀、细小的锆酸镧纤维,以无水三氯化镧和八水氧氯化锆为原料,聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为助纺剂,采用溶胶-凝胶法制备纺丝溶液,经静电纺丝技术制备出前驱体纤维,再分别经800、1 000以及1 200℃保温8 h煅烧后获得La_2Zr_2O_7超细纤维。利用DTA-TG、FTIR、XRD和SEM研究了锆酸镧纤维的形成过程。结果表明:1)未经煅烧的前驱体纤维粗细均匀,平均直径为400 nm;2)当煅烧温度为800℃时,开始形成萤石型锆酸镧纤维,纤维直径变细,平均直径为250 nm,纤维表面光滑;3)当煅烧温度为1 000℃时,纤维中残余有机基团消失,物相为烧绿石结构的锆酸镧,纤维表面开始变得不光滑,平均直径为180 nm;4)当煅烧温度提高到1 200℃时,锆酸镧纤维开始弯曲、粘连,表面更加粗糙。

微乳液静电纺丝法制备多孔锆酸镧纤维

为了获得具有优异保温隔热性能的锆酸镧纤维,以氯化镧和八水氧氯化锆为原料,聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为助纺剂,引入液体石蜡为分相剂,采用微乳液静电纺丝法制备出前驱体纤维,再经1000℃煅烧获得多孔锆酸镧纤维,并表征了纤维的性能。结果表明:所制备多孔纤维的物相为烧绿石型锆酸镧,纤维连续性较好,其平均直径在150nm左右;锆酸镧纤维的比表面积为20.77m2·g^-1,平均孔径19.3nm,总孔容为0.09cm3·g^-1,这些纳米尺度的气孔有望赋予多孔锆酸镧纤维良好的隔热性能。

微乳液电纺丝法制备Eu^3+掺杂锆酸镧多孔纤维及其发光性能研究

以LaCl3、ZrClO2·8H2O为原料,无水乙醇为溶剂,采用微乳液静电纺丝法制得烧绿石型的锆酸镧纤维,并引入分相剂石蜡在纤维中构筑多孔结构。采用XRD、SEM和BET研究了纤维的结构和形貌,采用PL光谱测试了Eu^3+掺杂的锆酸镧纤维的发光性能。研究表明,引入分相剂石蜡可以改善纤维中的孔结构,当石蜡用量为4 mL时所制备的锆酸镧纤维物相纯度高,其比表面积为20.77 m^2·g^-1,平均孔径19.3 nm,有较为丰富的孔结构且分布均匀。因此,在该纤维中掺杂Eu^3+后,由于氧离子与稀土离子间的电荷跃迁,以及多孔结构光散射的作用,多孔纤维的发光强度有所提高。

聚乙二醇水热法制备锆酸镧纳米晶

文中采用聚乙二醇水热法液相合成的方法,探讨了在较低温度下合成La2Zr2O7纳米晶为主体粉末的工艺,并对已获得的La2Zr2O7粉末进行了结构的表征。结果表明,采用K2CO3作为矿化剂,在225?C进行La2Zr2O7合成反应,并不能一步生成La2Zr2O7纳米晶体,而只能生成LaCO3(OH)的前驱体,但是当对该前驱体进行二次烧结后,即可以获得以La2Zr2O7为主体的纳米晶,在900?C^1100?C条件下烧结的La2Zr2O7晶粒尺寸小于30 nm,即使在1400?C条件下烧结2 h,La2Zr2O7晶粒尺寸也仅60 nm。

Eu3+掺杂的多孔锆酸镧粉体制备及发光性能研究

本文以LaCl3、ZrClO2·8H2O为原料,乙醇和去离子水为溶剂,采用溶胶凝胶法制得烧绿石型的锆酸镧粉体,并引入模板剂P123调控粉体中的孔道结构。采用XRD、SEM和BET研究了粉体的结构和形貌,并采用荧光光谱仪测量了Eu^3+掺杂的锆酸镧粉体的发光性能。研究表明,模板剂P123的引入有助于提高大孔数量,当溶液中P123含量为6.56 g·mL^–1时,得到的锆酸镧颗粒中孔道丰富,平均孔径为43 nm,孔容为0.15 cm^3·g^–1,在该锆酸镧粉体中掺杂Eu^3+后样品的发光性能显著增强,且猝灭浓度从9mol%提高到11mol%。

激光增强CVD法制备柱状晶结构锆酸镧涂层及其性能研究

使用La(dpm)3和Zr(dpm)4为前驱体,氧气为反应气体,通过激光增强化学气相沉积法制备了烧绿石结构的锆酸镧(LZ)涂层。研究了激光功率、以及前驱体比例对锆酸镧涂层的形貌、晶形、生长取向、沉积速率以及热导率的影响。在优化激光功率的基础上,通过改变前驱体比例La(dpm)3/Zr(dpm)4,确定了LZ的二元形成区,获得了La/Zr=0.75~1.5比例范围内成分可控的LZ单相样品。随着前驱体La(dpm)3/Zr(dpm)4比例的增加,La逐渐取代锆酸镧结构中的Zr,引起晶面间距的减少,导致XRD峰位向小角度方向偏移。研究表明,该方法制得的LZ涂层的热导率可低至0.936W/(m·K),适用于热障涂层及其他高温隔热场合。

大气等离子喷涂锆酸镧热障涂层

利用自制的稀土元素复合掺杂锆酸镧热喷涂粉末,采用大气等离子喷涂技术,在镍基高温合金表面制备La1.6Nd0.4Ce1.0Zr1.0O7(LNCZ)热障涂层,研究了喷涂参数对涂层沉积率、显微结构、结合强度及抗热震性能的影响。结果表明,增大喷涂功率,降低送粉速率可以有效地提高涂层的沉积率,但对涂层结合和抗热震性能不利。减小喷涂距离不仅提高沉积率,还有利于获得孔径细小、孔隙率适中的层状组织结构,该结构对提高涂层的抗热震性能极为有利。采用DH-1080大气等离子喷涂设备制备LNCZ涂层较好的喷涂条件为:功率40 kW,喷涂距离9 cm,送粉速率12 g/min。

锆酸镧的固相合成及其热障涂层的抗热震性能研究

用高温固相反应法合成了锆酸镧(La_2Zr_2O_7)陶瓷粉末,用大气等离子喷涂(APS)法制备了热障涂层。通过TG-DSC,XRD,Raman,FTIR和SEM等表征手段对合成的粉末进行结构和形貌分析,研究了煅烧温度和时间对La_2Zr_2O_7形成过程的影响以及固相合成粉末对涂层抗热震性能的影响。结果表明:高温固相反应法合成的La_2Zr_2O_7具有单一的烧绿石结构,相结构非常稳定,随着煅烧温度的升高,La_2Zr_2O_7相的含量和晶粒度均增加;在煅烧温度1400℃分别保温不同时间,La_2Zr_2O_7相的含量变化不明显,晶粒度随保温时间的延长而缓慢增加,二次煅烧粉末的相含量和晶粒度都大幅提高。La_2Zr_2O_7粉末所对应涂层的抗热震性能随粉末煅烧温度的升高而降低。

助熔剂法生长的锆钛锡酸铅镧(PLZST)晶体及生长余料的组分分析

以PbO -PbF2 复合体系作为助熔剂 ,采用助熔剂自发成核缓冷法率先制备出成分为 (Pb0 .94La0 .0 4) (Zr0 .37Ti0 .1 8Sn0 .45 )O3的弛豫型复合钙钛矿结构锆钛锡酸铅镧 (PLZST)晶体 .合适的生长工艺为 :助熔剂中PbO与PbF2 的摩尔比为 0 .5 5∶0 .45 ,原料与助熔剂的摩尔比为 1∶1,保温温度 12 5 0℃ ,保温时间 12h ,快降温速率为 5 0～ 10 0℃ /h ,慢降温速率为 1～ 5℃ /h ,快速降温与慢速降温的转变温度为 115 0℃ .本工作对晶体及晶体生长余料中的组分进行了分析 .结果表明 :对一定组成的初始配料 ,PLZST晶体组成相对富La,Ti和Zr ,生长后的余料相对富Sn ;PLZST晶体中存在两种包裹体缺陷 ,晶体除包裹体处以外各元素分布均匀 ;生长余料中各元素分布较均匀 。

La_2O_3-CeO_2-ZrO_2粉的制备及性能

利用化学共沉淀法制取锆酸镧(La2Zr2O7,简称LZ)和La2O3-CeO2-ZrO2(简称LCZ)热障涂层喷涂粉,采用电感耦合等离子体光谱仪(ICP-AES)对粉的化学成分进行分析,用X射线衍射仪分析LZ,LCZ的物相组成,用差式扫描量热法研究粉的高温相稳定性.结果表明:LZ,LCZ粉均为烧绿石结构;高温下LZ,LCZ无明显相变.

化学沉淀法制备CeO_2-La_2O_3-ZrO_2陶瓷粉末

采用化学沉淀法制备了La2Zr2O7(LZ)和CeO2-La2O3-ZrO2(LCZ)陶瓷粉末。通过电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES)、X射线衍射、DSC及霍尔流速计等分析方法,对粉末的化学组成、不同CeO2掺杂量LCZ的相组成、不同煅烧温度下的相组成、高温相稳定性和流动性能进行了研究。结果表明:所制备粉末的组成与锆酸镧烧绿石相的组成相近;热处理温度600℃时粉末为无定形的混合氧化物,900℃时转化为复合氧化物,1 150℃时转变为单一的锆酸镧烧绿石相;高温下LCZ无明显相变;温度高于1 400℃煅烧后,LCZ的流动性显著改善,可用于等离子喷涂。

La_2Zr_2O_7陶瓷在高温及高温湿氧环境中的组成结构演化

采用溶胶-凝胶法制备了锆酸镧（LZO）陶瓷,对比研究了LZO陶瓷在1300-1500℃空气环境及水汽环境中的组成、结构演变。采用电感耦合等离子体原子发射光谱（ICP-AES）仪,X射线衍射（XRD）仪、场发射扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）对LZO陶瓷及经不同环境处理后的组成、物相与形貌进行了研究。结果表明：溶胶-凝胶法制备所得LZO陶瓷为烧绿石结构,平均晶粒尺寸为44 nm,陶瓷中的La和Zr摩尔比为0.94∶1;LZO陶瓷在高温空气环境中的组成与结构基本稳定,1500℃下出现了较为明显的高温烧结和晶粒生长;LZO陶瓷在高温水汽环境中失重明显,且发生了严重的分相和高温烧结,生成了m相Zr O2和c相La2O3,平均晶粒尺寸达到2μm。

铅基驰豫型复合钙钛矿结构PLZST的合成研究

采用传统陶瓷烧结工艺合成了单一复合钙钛矿结构的Ｐｂ１－ｘＬａｘ（ＺｒｙＴｉｚＳｎ１－ｙ－ｚ）Ｏ３体系陶瓷（简称ＰＬＺＳＴ其中０．０１≤ｘ≤０．０５；０．３５≤ｙ≤０．７０；０．０５≤ｚ≤０．２０）．研究表明：在选定的工艺条件下，立方相和正交相ＰＬＺＳＴ易合成为单一复合钙钛矿结构，而四方相ＰＬＺＳＴ的合成较困难；采用多次球磨、加适量过量ＰｂＯ（３％）、控制成型压力、选择合适的烧结温度（１３５℃）有助于合成单一复合钙钛矿结构的ＰＬＺＳＴ．