科研進(jìn)展
蘭州化物所熱防護高熵陶瓷研究獲新進(jìn)展
A2B2O7型高熵陶瓷組分具有可調空間大、氧空位濃度高等特性,在新型熱防護涂層用陶瓷材料中有較強的競爭優(yōu)勢。該類(lèi)型高熵陶瓷可分別或同時(shí)在A位和B位兩個(gè)位點(diǎn)進(jìn)行高熵化組分調控,使其晶胞中存在嚴重晶格畸變,表現出較高的質(zhì)量無(wú)序度、離子尺寸無(wú)序度和電荷無(wú)序度,這些特殊效應能夠顯著(zhù)提升材料綜合性能,使其展現出優(yōu)異的耐熔鹽腐蝕性能、高溫相穩定性和機械性能等。
中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所先進(jìn)潤滑與防護材料研發(fā)中心磨損與表面工程課題組針對航空航天用高性能熱防護陶瓷材料開(kāi)展了系統研究工作。研究人員研究了高熵陶瓷材料的高熵構型與其熱物理性能之間的構效關(guān)系,分析了陶瓷材料質(zhì)量無(wú)序度、離子尺寸無(wú)序度和電荷無(wú)序度等材料結構特征對其熱導率、熱膨脹系數和耐熔鹽腐蝕性等的影響,揭示了高熵構型效應對材料熱物理特性改善提升的內在機理。
研究人員在傳統組分La2Ce2O7陶瓷材料體系中,利用三價(jià)稀土元素,對La2Ce2O7陶瓷材料的A位進(jìn)行組分高熵化設計,制備出了(La0.2Nd0.2Sm0.2Eu0.2Gd0.2)2Ce2O7高熵陶瓷材料,重點(diǎn)闡釋了材料高熵構型及特殊效應與其熱物理性能之間的構效關(guān)系,繼而為高熵陶瓷TBCs材料熱物理性能的改善提升提供了新策略和新方法。相關(guān)成果發(fā)表在Journal of Advanced Ceramics(2022, 11(4): 615–628)上。
圖1. (La0.2Nd0.2Sm0.2Eu0.2Gd0.2)2Ce2O7結構示意圖和熱性能對比圖
近期,研究人員通過(guò)系統考察(La0.2Nd0.2Sm0.2Eu0.2Gd0.2)2Ce2O7和(La0.2Nd0.2Sm0.2Nb0.2Gd0.2)2Ce2O7兩種高熵鈰酸鹽陶瓷材料在不同腐蝕性介質(zhì)中(Na2SO4+V2O5)的熔鹽腐蝕行為,重點(diǎn)探究了上述高熵陶瓷內在特殊效應對熔鹽腐蝕行為的影響,分析了腐蝕過(guò)程中高熵陶瓷材料的結構演變過(guò)程,從微觀(guān)層面揭示了腐蝕介質(zhì)對高熵鈰酸鹽陶瓷材料的腐蝕作用機理,尤其是Nb元素的引入對(La0.2Nd0.2Sm0.2Eu0.2Gd0.2)2Ce2O7耐腐蝕性能改善提升的作用機制。相關(guān)成果發(fā)表在Corrosion Science(2022,204,110414)和Chemical Engineering Journal(2023,457,141346)上,獲中國發(fā)明專(zhuān)利授權1項(一種抗熔鹽腐蝕的高熵氧化物陶瓷材料及其制備方法,ZL 202211038839.5)。
圖2. (La0.2Nd0.2Sm0.2Eu0.2Gd0.2)2Ce2O7和La2Ce2O7腐蝕深度和腐蝕機理示意圖
圖3. (La0.2Nd0.2Sm0.2Eu0.2Gd0.2)2Ce2O7和(La0.2Nd0.2Sm0.2Nb0.2Gd0.2)2Ce2O7高熵陶瓷與高溫熔鹽腐蝕介質(zhì)吸附作用的DFT計算
圖4. (La0.2Nd0.2Sm0.2Eu0.2Gd0.2)2Ce2O7和(La0.2Nd0.2Sm0.2Nb0.2Gd0.2)2Ce2O7高熵陶瓷的高溫熔鹽腐蝕機理示意圖
上述工作第一作者為2020級博士生薛蕓,蘭州化物所安宇龍研究員和蘭州大學(xué)高美珍教授為通訊作者。
以上工作得到了國家自然科學(xué)基金委和中科院青年創(chuàng )新促進(jìn)會(huì )等的支持。