Er2O3掺杂对Ta2O5-Y2O3-ZrO2体系陶瓷结构及性能的影响

摘要

近年来，航空航天事业发展迅猛，研究人员对热障涂层材料进行了研究，结果发现传统的氧化钇部分稳定的氧化锆热障涂层陶瓷材料逐渐不能满足更高的技术要求。热障涂层YSZ陶瓷材料长期工作于1200℃的高温环境中，容易发生相变，使得材料体积膨胀，与热障涂层金属粘结层材料的热膨胀系数不匹配，而且会产生微裂纹，最终导致涂层脱落失效。为此，研究人员通过掺杂稀土氧化物改善热障涂层陶瓷材料的热物理性能，以满足长期高温环境对材料的技术要求。
　　本文采用固相合成法并以氧化铒、氧化锆、氧化钽、氧化钇为原料制备了Er2O3-Ta2O5-Y2O3-ZrO2体系陶瓷材料，利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、高温热膨胀仪、激光导热仪(LFA427)对材料的物相结构、相稳定性、表面微观形貌、热膨胀系数及热扩散系数进行了表征；利用阿基米德原理对材料的体积密度进行了测试；根据Neumann-Kopp规则对陶瓷材料的热容进行计算；利用点缺陷模型对陶瓷材料的理论热导率进行计算并与测量热导率进行了对比。
　　XRD衍射结果显示，经1600℃烧结6h后得到了单一四方相Er2O3-Ta2O5-Y2O3-ZrO2陶瓷材料，且四方度较大。在低温200℃和高温1500℃下分别等温热处理450h和310h后，材料的物相结构未发生变化，仍呈现单一的四方相，表明 Er2O3-Y2O3-Ta2O5-ZrO2陶瓷材料具有良好的相稳定性。
　　SEM微观表面结果显示，ErxY0.18-xTa0.18Zr0.64O2体系陶瓷材料的晶粒大小约为几微米，且随着Er2O3含量的增大，气孔很少，相对密度达到97％以上。
　　热物理性能测试结果显示，从室温至1300℃范围内，ErxY0.18-xTa0.18Zr0.64O2体系陶瓷材料的平均热膨胀系数均低于 Ta2O5-Y2O3-ZrO2体系陶瓷材料的平均热膨胀系数，但变化不是很明显，其范围为9.86×10-6 K-1～10.44×10-6 K-1。从室温～1200℃，随着温度的升高，热容值增大；随着稀土Er2O3含量的增加，热容值减小。从室温至1000℃内，掺杂稀土氧化铒影响了陶瓷材料的热导率大小，当掺杂量为2mol%时， ErxY0.18-xTa0.18Zr0.64O2陶瓷材料的热导率值最小，热导率值为1.13Wm-1K-1～1.49 Wm-1K-1。根据点缺陷模型计算出理论热导率并得出：取代原子与基质原子之间的质量差、取代原子与基质原子之间的半径差以及点缺陷周围应变场共同影响了热导率大小，其中点缺陷周围应变场对热导率的影响最大。
　　综上所述，本文中掺杂稀土 Er2O3含量为2mol%的ErxY0.18-xTa0.18Zr0.64O2体系陶瓷材料具有稳定的相结构、良好的高温相稳定性、较大的热膨胀系数、低热导率等性能优点，从性能上综合考虑，该材料可能适合用作热障涂层陶瓷顶层材料，但从成本上还有待进一步研究。

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1文献综述

1.1引言

1.2热障涂层的概述(Thermal barrier coatings)

1.2.1热障涂层的结构

1.2.2 热障涂层的粘结层

1.2.3 热障涂层的陶瓷层

1.2.4热障涂层材料的制备

1.2.5 热障涂层的失效机理[14, 31]

1.3 热障涂层陶瓷层材料的研究现状

1.3.1 新型热障涂层陶瓷材料

1.3.2 氧化锆基热障涂层陶瓷材料

1.4 研究目的及内容

2 实验内容及测试方法

2.1 ErxY0.18-xTa0.18Zr0.64O2陶瓷试样的制备

2.2 测试分析方法

2.2.1 X射线衍射

2.2.2 扫描电子显微镜

2.2.3 密度的测定

2.2.4 热膨胀系数

2.2.5 热容

2.2.6 热扩散系数

2.2.7 热导率

3 实验结果及分析

3.1材料物相结构分析

3.2相稳定性分析

3.2.1 低温相稳定性

3.2.2 高温相稳定性

3.3 微观组织结构

3.4 材料的热物理性能

3.4.1 材料的热膨胀系数

3.4.2 材料的热容

3.4.3 材料的热扩散系数

3.4.4 材料的热导率

结论

参考文献

在学研究成果

致谢