Sr(Zr0.2Hf0.2Ce0.2Yb0.2Me0.2)O3-x高熵陶瓷的制备及热物理性能的研究

来源 :内蒙古工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:nature_shcn
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针对传统YSZ材料在高于1200℃长期服役会发生烧结和相变、涂层表面产生剥落这一问题,寻求一种具有良好热物理性能的新型陶瓷作为热障涂层候选材料是当前研究领域的热点之一。研究发现双稀土改性的SrZrO3陶瓷具有较低的热导率同时在高温下表现出优异的抗烧结和相稳定性。本文以传统钙钛矿型结构的SrZrO3材料为研究基础,通过固相反应法成功制备出了六种B位五组元等摩尔比的高熵钙钛矿结构陶瓷,其化学式为Sr(Z1r0.2Hf0.2Ce0.2Yb0.2Me0.2)O3-x(Me=Y,Gd,Ti,Sn,Nb,Ta)。对陶瓷块材的物相组成进行了 XRD分析,使用SEM和EDS对陶瓷块材的显微结构和成分进行了研究;通过激光导热仪对陶瓷的热扩散系数进行了测量,并计算了其在室温至1400℃ 下的热导率;使用高温热膨胀仪对陶瓷的热膨胀系数进行了测定,探究其与涂层基体材料的热膨胀系数匹配性是否良好;利用同步热分析技术对陶瓷进行了 TG-DSC分析处理,研究其在高温过程中的相稳定性。分析了不同元素、价态以及离子半径对形成熵稳定结构的影响,以及第二相的出现对陶瓷力学性能和热物理性能的影响。研究结果表明,利用固相法合成出的高熵陶瓷主要为立方相结构,并含有少量第二相,主要为萤石结构的稀土氧化物固溶体。由于SrO的饱和蒸汽压比ZrO2和其他稀土氧化物高,因此在制备陶瓷粉体的过程中SrO的挥发量较大,导致制备态陶瓷中出现第二相并发生成分偏析。通过XRD和EDS能谱发现,大多数组分的陶瓷均出现了少量的第二相,其中Sr(Zr0.2Hf0.2Ce0.2Yb0.2Me0.2)O3-x(Me=Y,Gd,Ti,Nb)陶瓷的第二相依次为 Sr(Y0.55Yb0.45)O2.5、Sr(Gd0.55Yb0.45)O2.5、Yb0.4Ce0.6O1.8、Yb0.1Ce0.9O1.95,而陶瓷Sr(Zr0.2Hf0.2Ce0.2Yb0.2Me0.2)O3-x(Me=Sn,Ta)无第二相出现。各种成分的陶瓷热导率随温度变化规律相似,在室温至800℃低温段下随温度逐渐降低,当温度继续升高时,热导率逐渐增大。在1000℃下测得 Sr(Zr0.2Hf0.2Ce0.2Yb0.2Me0.2)O3-x(Me=Y,Gd,Ti,Sn,Nb,Ta)高熵陶瓷的热导率依次为1.30W·m-1·K-1、1.28W·m-1·K-1、1.30 W·m-1·K-1、1.37 W·m-1·K-1、1.16 W·m-1·K-1 和 1.30 W·m-1·K-1,远低于 SrZrO3(1.96 W·m-1·K-1,1000℃)和 YSZ(2.12W·m-1·K-1,1000℃)。在 1300℃温度范围测得Sr(Zr0.2Hf0.2Ce0.2Yb0.2Me0.2)O3-x(Me=Y,Gd,Ti,Sn,Nb,Ta)陶瓷的热膨胀系数依次为 14.0×10-6·K-1、15.9×10-6·K-1、12.8×10-6·K-1、13.1 × 10-6·K-1、14.6× 10-6·K-1和 14.4×10-6·K-1,较SrZrO3(10.g×10-6·K-1,1000℃明显提高。此外,通过TG-DSC发现陶瓷在600-1400℃范围内均未发生相变,并且分别在1400℃下高温循环热处理100 h、200 h和300 h后较制备态陶瓷无明显相结构变化,随着热处理时间的增加,陶瓷的相组成及相含量保持不变。对陶瓷的力学性能进行分析后发现,其致密度最高可达98.3%(Me=Ta);测得其维氏硬度最小为 4.14±0.11 GPa(Me=Nb),最大为 7.64±0.26 GPa(Me=Ti);断裂韧性最低为 1.12±0.14 MPa·m1/2(Me=Gd),最高为 2.01±0.04 MPa m1/2(Me=Ti),较 SrZrO3 陶瓷(87.7%,3.04±0.11 GPa,1.27±0.14 MPa·m1/2)有着不同程度的提升。综合陶瓷的热导率、热膨胀系数、力学性能、第二相含量以及高温热稳定性等因素,不难发现 Sr(Zr0.2Hf0.2Ce0.2Yb0.2Me0.2)O3-x(Me=Y,Gd,Sn,Nb,Ta)新型钙钛矿结构的高熵陶瓷作为潜在的热障涂层材料有着十分广阔的应用前景。
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