科研進(jìn)展
蘭州化物所熱防護(hù)高熵陶瓷研究獲新進(jìn)展
A2B2O7型高熵陶瓷組分具有可調(diào)空間大、氧空位濃度高等特性,在新型熱防護(hù)涂層用陶瓷材料中有較強的競爭優(yōu)勢。該類型高熵陶瓷可分別或同時在A位和B位兩個位點進(jìn)行高熵化組分調(diào)控,使其晶胞中存在嚴(yán)重晶格畸變,表現(xiàn)出較高的質(zhì)量無序度、離子尺寸無序度和電荷無序度,這些特殊效應(yīng)能夠顯著提升材料綜合性能,使其展現(xiàn)出優(yōu)異的耐熔鹽腐蝕性能、高溫相穩(wěn)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(hù)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(hù)陶瓷材料開展了系統(tǒng)研究工作。研究人員研究了高熵陶瓷材料的高熵構(gòu)型與其熱物理性能之間的構(gòu)效關(guān)系,分析了陶瓷材料質(zhì)量無序度、離子尺寸無序度和電荷無序度等材料結(jié)構(gòu)特征對其熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)和耐熔鹽腐蝕性等的影響,揭示了高熵構(gòu)型效應(yīng)對材料熱物理特性改善提升的內(nèi)在機理。
研究人員在傳統(tǒng)組分La2Ce2O7陶瓷材料體系中,利用三價稀土元素,對La2Ce2O7陶瓷材料的A位進(jìn)行組分高熵化設(shè)計,制備出了(La0.2Nd0.2Sm0.2Eu0.2Gd0.2)2Ce2O7高熵陶瓷材料,重點闡釋了材料高熵構(gòu)型及特殊效應(yīng)與其熱物理性能之間的構(gòu)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(jié)構(gòu)示意圖和熱性能對比圖
近期,研究人員通過系統(tǒng)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,重點探究了上述高熵陶瓷內(nèi)在特殊效應(yīng)對熔鹽腐蝕行為的影響,分析了腐蝕過程中高熵陶瓷材料的結(jié)構(gòu)演變過程,從微觀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)明專利授權(quán)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)會等的支持。