【摘 要】
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随着航空事业飞速发展,具有高推重比航空发动机的工作温度不断提高,热障涂层材料可以有效保护发动机热端部件,提高使用寿命。目前,6-8 wt.%Y2O3部分稳定Zr O2（6-8YSZ）热障涂层陶瓷材料具有热导率低等优点被广泛应用,但只能在温度低于1200℃时稳定工作,当温度进一步升高时,6-8 YSZ容易发生相变导致体积膨胀,使热障涂层材料易发生开裂而脱落失效。因此,开发具有高温相稳定性良好、在12
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随着航空事业飞速发展,具有高推重比航空发动机的工作温度不断提高,热障涂层材料可以有效保护发动机热端部件,提高使用寿命。目前,6-8 wt.%Y2O3部分稳定Zr O2（6-8YSZ）热障涂层陶瓷材料具有热导率低等优点被广泛应用,但只能在温度低于1200℃时稳定工作,当温度进一步升高时,6-8 YSZ容易发生相变导致体积膨胀,使热障涂层材料易发生开裂而脱落失效。因此,开发具有高温相稳定性良好、在1200℃以上能够长期稳定工作的新型热障涂层陶瓷材料成为该领域的研究重点。在众多材料中,稀土锆酸盐成为人们目前主要研究对象,本文选用Gd2Zr2O7陶瓷材料,通过对B位进行Ce O2与Ti O2掺杂改性,进一步提高该体系陶瓷材料的使用性能。主要研究内容概括如下:采用固相合成法制备Gd2(Zr0.7Ce0.3-xTix)2O7（x=0,0.1,0.2,0.3）体系陶瓷材料,当x为0、0.1 mol时,陶瓷材料物相结构为缺陷型萤石结构;当x为0.2、0.3 mol时,陶瓷材料物相结构为立方烧绿石结构,Ti O2掺杂量的增加使陶瓷材料结构变得更加有序。在室温～1300℃范围内,Ti O2掺杂量的增加提高了该体系材料的平均热膨胀系数,当x=0.3 mol时,热膨胀系数达到最大,为11.84×10-6K-1。热扩散测试结果表明,温度低于800℃时,该体系陶瓷材料的热扩散系数随温度升高逐渐降低,当Ti O2掺杂量小于等于0.2mol时,Ti O2的掺杂有效降低陶瓷材料的热扩散系数。通过热扩散系数对陶瓷材料热导率进行计算,结果表明,热导率变化趋势与热扩散系数保持一致,800℃时,Gd2(Zr0.7Ce0.1Ti0.2)2O7陶瓷材料热导率最低,为1.15 Wm-1·K-1,Ce O2与Ti O2的共掺增强了声子散射,降低了陶瓷材料的热导率。对于红外发射率,Ti4+的引入改变了晶格振动从而提高了陶瓷材料的发射率,光子导热率降低。在力学性能上,该体系陶瓷材料的弹性模量和断裂韧性随Ti O2掺杂量的增加逐渐增大,x=0.3 mol时达到最大,分别为217.2 GPa与2.8 MPa·m1/2。对Gd2(Zr0.7Ce0.1Ti0.2)2O7陶瓷材料进行V2O5+Na2SO4熔盐腐蚀测试,腐蚀时间为5h、10 h以及20 h。测试结果表明,其腐蚀产物不受腐蚀时间及掺杂离子的影响而发生改变,均为Gd VO4与m-Zr O2。
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