稀土氧化物热障涂层陶瓷材料的缺陷化学及热物理性能

论文摘要

随着热能发动机的发展,对热障涂层陶瓷层材料的性能要求越来越高,传统的Y2O3稳定的ZrO2（YSZ）材料已经很难满足这种需求,研发综合性能更加优异的新一代热障涂层陶瓷材料具有重要的现实意义和应用价值。本论文以综合性能比较好的稀土氧化物陶瓷材料为研究对象,通过掺杂、非化学计量比、稀土元素替代、成分设计等方法和手段,研究了材料晶体结构以及各种点缺陷对材料热物理性能的影响,为新型热障涂层陶瓷材料的选择与性能调控打下了基础。主要研究内容如下:以焦绿石结构稀土锆酸盐为研究对象,研究了二价元素掺杂对Sm2Zr2O7热物理性能的影响。结果显示,掺杂MgO可以在小幅提高Sm2Zr2O7材料热导率的情况下,显著改善其热膨胀性能,平均热膨胀系数最高可达11.94×10-6 K-1（室温1000℃）。通过分析固溶体的拉曼光谱、点阵参数、X射线光电子能谱以及实测密度,提出并确认了一种不同于之前研究的涉及多种点缺陷和一个机理转变点的固溶模型,并解释了材料热物理性能的变化。以焦绿石/萤石相区的SmO1.5-ZrO2体系固溶体为研究对象,研究了非化学计量比对材料晶体结构、缺陷类型以及热物理性能方面的影响。研究表明,非化学计量比同时降低了材料的热导率和热膨胀系数,其中,0.55 SmO1.5·0.45ZrO2具有最好的综合性能。该体系拉曼光谱的分析提供了萤石/焦绿石结构转变的重要信息,并为焦绿石结构拉曼光谱振动模式分析提供了有力的证据支持。研究了具有稳定焦绿石结构的稀土锡酸盐体系的晶体结构和热物理性能,发现其1000℃下的热导率为1.92.3W/（m·K）,平均热膨胀系数在8.39.3×10-6K-1之间（301000℃）。极限热导率计算认为,其热导率还有较大的下降空间。首次研究了成分容忍度高的磷灰石结构稀土硅酸盐的热物理性能。通过材料成分设计的方法,在材料中引入了多种点缺陷,研究了不同点缺陷种类与浓度对材料热导率的影响。测试结果表明,该体系化合物具有基本不随温度变化的极低的热导率,阴阳离子空位浓度的增大可以进一步降低材料的热导率,而氧离子间隙对材料热导率的影响不大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 热障涂层简介
• 1.2 热障涂层体系的结构
• 1.2.1 合金基体（Substrate）
• 1.2.2 粘结层（Bond coat）
• 1.2.3 热生成氧化物层（TGO）
• 1.2.4 陶瓷表层（Top coat）
• 1.3 热障涂层陶瓷层材料的性能要求
• 1.3.1 高熔点
• 1.3.2 良好的高温相稳定性
• 1.3.3 低热导率
• 1.3.4 高热膨胀系数
• 1.3.5 与TGO 层之间良好的化学稳定性和粘着性
• 1.3.6 良好的耐腐蚀性
• 1.3.7 低弹性模量以及较高的硬度和韧性
• 1.3.8 低烧结率
• 1.4 热障涂层陶瓷材料的研究现状
• 1.4.1 现役陶瓷层材料——氧化钇稳定的氧化锆（YSZ）体系
• 1.4.2 改进的掺杂氧化锆体系
• 1.4.3 稀土焦绿石或萤石结构化合物体系
• 1.4.4 其他结构化合物体系
• 1.5 热物理性能的理论基础及材料选择原则
• 1.5.1 固体热传导理论简介
• 1.5.2 声子散射过程机理及其对热导率的影响
• 1.5.3 极限热导率原则
• 1.5.4 固体材料热膨胀机理
• 1.5.5 影响材料热膨胀的因素及材料选择
• 1.5.6 材料选择原则总结
• 1.6 论文选题依据及研究内容
• 第2章 样品制备方法与测试分析手段
• 2.1 样品制备方法
• 2.1.1 原料选择及处理
• 2.1.2 粉体制备
• 2.1.3 试样制备
• 2.2 测试分析手段
• 2.2.1 X 射线衍射（XRD）
• 2.2.2 扫描电子显微镜（SEM）
• 2.2.3 拉曼光谱分析（Raman）
• 2.2.4 X 射线光电子能谱分析（XPS）
• 2.2.5 弹性系数
• 2.2.6 密度测定
• 2.2.7 比热
• 2.2.8 热扩散系数
• 2.2.9 热膨胀系数
• 第3章 焦绿石结构稀土锆酸盐的二价元素掺杂研究
• 3.1 引言
• 2-εMg_ε)Zr₂O_7-ε/2 固溶体的结构及固溶机理分析'>3.2 (Sm_2-εMg_ε)Zr₂O_7-ε/2 固溶体的结构及固溶机理分析
• 3.2.1 焦绿石结构简介
• 3.2.2 物相分析及微观形貌
• 3.2.3 拉曼光谱分析
• 3.2.4 点阵参数分析
• 3.2.5 X 射线光电子能谱（XPS）分析
• 3.2.6 固溶机理的确认
• 2-εMg_ε)Zr₂O_7-ε/2 固溶体性能表征'>3.3 (Sm_2-εMg_ε)Zr₂O_7-ε/2 固溶体性能表征
• 3.3.1 热导率分析
• 3.3.2 热膨胀系数分析
• 3.4 其他二价元素掺杂研究
• 3.4.1 问题的提出
• 3.4.2 其他二价元素的固溶情况
• 3.4.3 固溶体样品的热导率
• 3.5 本章小结
• 1.5-ZrO₂体系焦绿石/萤石相区固溶体的结构与性能研究'>第4章 SmO_1.5-ZrO₂体系焦绿石/萤石相区固溶体的结构与性能研究
• 4.1 引言
• 1.5·（1-ε）ZrO₂ 体系固溶体的结构分析'>4.2 εSmO_1.5·（1-ε）ZrO₂体系固溶体的结构分析
• 4.2.1 物相分析
• 4.2.2 点阵参数
• 4.2.3 拉曼光谱分析
• 4.2.4 固溶机理探讨
• 1.5·（1-ε）ZrO₂ 体系固溶体的热物理性能'>4.3 εSmO_1.5·（1-ε）ZrO₂体系固溶体的热物理性能
• 4.3.1 热传导性能
• 4.3.2 声子平均速度与声子平均自由程
• 4.3.3 弹性模量
• 4.3.4 热膨胀系数
• 4.4 本章小结
• 第5章 稀土锡酸盐的晶体结构与热物理性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 稀土锡酸盐的结构分析
• 5.2.1 物相分析
• 5.2.2 点阵参数
• 5.2.3 拉曼光谱分析
• 5.3 稀土锡酸盐的热物理性能
• 5.3.1 热传导性能
• 5.3.2 声子平均速度与声子平均自由程
• 5.3.3 弹性模量及晶格能计算
• 5.3.4 极限热导率的计算
• 5.3.5 热膨胀系数
• 5.4 本章小结
• 第6章 磷灰石结构稀土硅酸盐的热导率研究
• 6.1 引言
• 6.2 材料成分设计
• 6.3 物相分析
• 6.4 热传导性能
• 6.4.1 比热
• 6.4.2 热扩散系数
• 6.4.3 热导率
• 6.5 本章小结
• 第7章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果