高熵稀土铪酸盐热障/环境障涂层材料的制备与性能研究

综合性能优异的热障/环境障涂层是先进航空发动机涡轮叶片等高温部件的关键热防护材料。本研究通过两步烧结法制备了高熵稀土铪酸盐(La_(0.2)Gd_(0.2)Ho_(0.2)Er_(0.2)Tm_(0.2))_(4)Hf_(3)O_(12)和(Yb_(0.2)Lu_(0.2)Ho_(0.2)Er_(0.2)Tm_(0.2))_(4)Hf_(3)O_(12),系统研究了两种材料的力学、热学性能和CMAS腐蚀性能。多主元高熵材料具有较低的热膨胀系数和热导率,其中(Yb_(0.2)Lu_(0.2)Ho_(0.2)Er_(0.2)Tm_(0.2))_(4)Hf_(3)O_(12)表现出比(La_(0.2)Gd_(0.2)Ho_(0.2)Er_(0.2)Tm_(0.2))_(4)Hf_(3)O_(12)更高的硬度和断裂韧性。1300℃下CMAS腐蚀结果表明,(La_(0.2)Gd_(0.2)Ho_(0.2)Er_(0.2)Tm_(0.2))_(4)Hf_(3)O_(12)与CMAS的反应速率快,更容易析出磷灰石,对阻止CMAS迅速渗透是有益的。高熵稀土铪酸盐材料具有优异的综合性能,在热障/环境障涂层领域具有良好的应用前景。

稀土双硅酸盐热学性能的基因与协调机制

在未来航空发动机先进技术中,以硅基陶瓷复合材料高温结构部件为基体,发展先进的多功能热障/环境障一体化涂层(TEBC)以实现有效防护是一个重要的研究方向。TEBC材料的发展和优化需满足低热导率(κL)和合适的热膨胀系数(CTE),以提高涂层体系的隔热性能,并降低热应力。因此,深入理解TEBC候选材料热传导和热膨胀行为的"基因"和协调机制是本领域的关键问题。采用第一性原理结合晶格动力学方法研究了稀土双硅酸盐β-,γ-和δ-RE2Si2O7(RE=Y,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu)多晶型材料的晶体结构、键合非均匀性、声子色散关系及非简谐性特征,计算了材料本征晶格热导率和热膨胀系数,揭示了控制材料低热导率和热膨胀系数大小的"基因"。研究发现,RE2Si2O7多晶型材料具有明显的低频光学-声学声子耦合效应,且低频声子较大的非简谐性是材料低热导率的根源。同时,晶格中Si-O-Si"桥"结构的线性或弯折形态导致了低频声子非简谐性的"正负"差异及体模量差异,是决定β-和γ-RE2Si2O7热膨胀系数远低于δ-RE2Si2O7的关键因素。研究结果阐明了低频声子非简谐性的"大小"和"正负"特征对RE2Si2O7多晶型材料热学性能协调机制的关键作用,为实现TEBC热学性能的优化设计提供了指导。