幾種稀土硅酸鹽陶瓷的預測、制備和性能研究
Si3N4和(he)SiC等硅(gui)基(ji)(ji)陶瓷不僅具(ju)有(you)(you)(you)優異的(de)高(gao)溫(wen)(wen)力學性(xing)能，而且(qie)在干(gan)燥的(de)空氣中(zhong)表現(xian)出良好的(de)高(gao)溫(wen)(wen)穩定性(xing)，使其成(cheng)為具(ju)有(you)(you)(you)應用前景的(de)燃(ran)氣輪機用熱結構(gou)部(bu)件材料(liao)。然而當暴露(lu)在含(han)有(you)(you)(you)水(shui)蒸氣的(de)燃(ran)燒(shao)環境(jing)中(zhong)時，硅(gui)基(ji)(ji)陶瓷會受到水(shui)蒸氣腐蝕而生成(cheng)具(ju)有(you)(you)(you)揮(hui)發性(xing)的(de)氫氧化硅(gui)，從而導致(zhi)硅(gui)基(ji)(ji)陶瓷的(de)失效，嚴重限制了該(gai)類(lei)陶瓷在燃(ran)燒(shao)環境(jing)中(zhong)的(de)應用。在部(bu)件表面(mian)涂覆(fu)環障涂層(ceng)來保護硅(gui)基(ji)(ji)陶瓷基(ji)(ji)體材料(liao)是實現(xian)該(gai)類(lei)材料(liao)應用的(de)必要途徑。
本文研究的(de)(de)稀(xi)土(tu)硅(gui)酸鹽陶(tao)瓷(ci)被認為(wei)是硅(gui)基(ji)陶(tao)瓷(ci)的(de)(de)第三代環障涂(tu)層(ceng)材料，并且(qie)其中(zhong)一部(bu)(bu)分稀(xi)土(tu)硅(gui)酸鹽屬于低熱導率陶(tao)瓷(ci)，使得(de)它們(men)有(you)望成(cheng)為(wei)硅(gui)基(ji)陶(tao)瓷(ci)環/熱障一體(ti)化... 展(zhan)開(kai) Si3N4和SiC等硅(gui)基(ji)陶(tao)瓷(ci)不僅具(ju)(ju)有(you)優異的(de)(de)高溫力學性能(neng)，而且(qie)在(zai)(zai)干燥的(de)(de)空氣(qi)中(zhong)表現出良好(hao)的(de)(de)高溫穩定性，使其成(cheng)為(wei)具(ju)(ju)有(you)應用(yong)(yong)前景(jing)的(de)(de)燃(ran)氣(qi)輪機用(yong)(yong)熱結構部(bu)(bu)件材料。然而當(dang)暴露在(zai)(zai)含有(you)水蒸氣(qi)的(de)(de)燃(ran)燒(shao)(shao)環境中(zhong)時，硅(gui)基(ji)陶(tao)瓷(ci)會受到水蒸氣(qi)腐蝕而生成(cheng)具(ju)(ju)有(you)揮發(fa)性的(de)(de)氫氧(yang)化硅(gui)，從而導致硅(gui)基(ji)陶(tao)瓷(ci)的(de)(de)失效，嚴重限(xian)制(zhi)了該類陶(tao)瓷(ci)在(zai)(zai)燃(ran)燒(shao)(shao)環境中(zhong)的(de)(de)應用(yong)(yong)。在(zai)(zai)部(bu)(bu)件表面(mian)涂(tu)覆環障涂(tu)層(ceng)來保護硅(gui)基(ji)陶(tao)瓷(ci)基(ji)體(ti)材料是實現該類材料應用(yong)(yong)的(de)(de)必(bi)要途徑。
本文(wen)研究的稀土(tu)硅酸鹽(yan)陶(tao)瓷(ci)被認為是硅基(ji)陶(tao)瓷(ci)的第三代環障(zhang)(zhang)涂(tu)(tu)層材料(liao)(liao)，并(bing)且其(qi)中一部分稀土(tu)硅酸鹽(yan)屬(shu)于低熱(re)導率陶(tao)瓷(ci)，使(shi)得(de)它們有望成為硅基(ji)陶(tao)瓷(ci)環/熱(re)障(zhang)(zhang)一體化涂(tu)(tu)層材料(liao)(liao)。作為極端環境使(shi)用(yong)的環/熱(re)障(zhang)(zhang)涂(tu)(tu)層材料(liao)(liao)需要滿(man)足(zu)苛刻的性能要求，包括
(1)與基體(ti)材料(liao)相匹配的熱(re)膨脹系數(shu);
(2)良好(hao)的抗(kang)氧(yang)化性和(he)抗(kang)腐蝕性;
(3)較低的(de)熱導率;
(4)良好的高(gao)溫穩定性(xing)等。材料(liao)的熱學(xue)、力學(xue)和與基體(ti)匹配性(xing)相關的性(xing)能(neng)對篩選(xuan)高(gao)可靠(kao)性(xing)的環(huan)/熱障(zhang)(zhang)涂(tu)層材料(liao)非常重要。然而，稀(xi)土(tu)硅酸鹽陶(tao)(tao)瓷(ci)家(jia)族龐大，對稀(xi)土(tu)硅酸鹽的本(ben)征(zheng)性(xing)能(neng)報(bao)道較少。要實現稀(xi)土(tu)硅酸鹽在硅基陶(tao)(tao)瓷(ci)環(huan)/熱障(zhang)(zhang)涂(tu)層上的選(xuan)材和應用(yong)，對其熱學(xue)、力學(xue)和抗腐蝕等性(xing)能(neng)進(jin)行全面評價并實現優選(xuan)。本(ben)論文的研究工(gong)作(zuo)著眼(yan)于此，主要圍繞(rao)以下(xia)幾個方面開展研究:
采用第—性(xing)(xing)原理計算的(de)(de)方(fang)法(fa)，對稀(xi)土(tu)單硅(gui)酸鹽的(de)(de)高溫相X2-RE2SiO5的(de)(de)彈性(xing)(xing)性(xing)(xing)質、高溫極限熱(re)(re)導率和(he)本(ben)征晶格熱(re)(re)導率進行(xing)了(le)(le)理論(lun)預(yu)測，從而對其作為(wei)硅(gui)基(ji)陶瓷(ci)環(huan)/熱(re)(re)障涂層(ceng)的(de)(de)可(ke)行(xing)性(xing)(xing)進行(xing)理論(lun)判斷(duan)。結果表(biao)明，X2-RE2SiO5具有極低(di)的(de)(de)熱(re)(re)導率和(he)較低(di)的(de)(de)彈性(xing)(xing)模量，是潛在(zai)的(de)(de)硅(gui)基(ji)陶瓷(ci)環(huan)/熱(re)(re)障涂層(ceng)候選材(cai)料。通過(guo)兩(liang)步（無壓/熱(re)(re)壓燒(shao)結）方(fang)法(fa)成功制備了(le)(le)純相、致(zhi)密的(de)(de)塊體X2-RE2SiO5陶瓷(ci)。系統地研究了(le)(le)其本(ben)征力學和(he)熱(re)(re)學性(xing)(xing)能，為(wei)X2-RE2SiO5作為(wei)硅(gui)基(ji)陶瓷(ci)環(huan)/熱(re)(re)障涂層(ceng)材(cai)料提(ti)供了(le)(le)可(ke)靠(kao)的(de)(de)依(yi)據(ju)。
針對(dui)(dui)硅基陶瓷(ci)環(huan)/熱(re)(re)(re)障(zhang)一體(ti)化(hua)涂(tu)層對(dui)(dui)良好隔熱(re)(re)(re)性能(neng)的(de)(de)需求，采(cai)用(yong)摻雜的(de)(de)方(fang)法制備了(le)(le)(YxYb1-x)2SiO5和(he)(YxHo1-x)2SiO5兩類(lei)固溶體(ti)材(cai)料，對(dui)(dui)其熱(re)(re)(re)導(dao)率、高溫楊氏模量、內耗和(he)彎曲強度(du)等性能(neng)進行了(le)(le)研究(jiu)。通(tong)過摻雜獲得了(le)(le)熱(re)(re)(re)導(dao)率更低、密度(du)較小(xiao)的(de)(de)稀土硅酸鹽固溶體(ti)材(cai)料，為(wei)實(shi)現它們作為(wei)硅基陶瓷(ci)環(huan)/熱(re)(re)(re)障(zhang)涂(tu)層的(de)(de)性能(neng)優化(hua)和(he)調控(kong)提供了(le)(le)指導(dao)。
陶(tao)(tao)(tao)瓷的(de)(de)本征脆性(xing)是(shi)限制(zhi)其廣泛使用的(de)(de)一個重要因素，發(fa)現并理解具(ju)(ju)有良好損傷(shang)容限的(de)(de)稀土硅酸鹽陶(tao)(tao)(tao)瓷具(ju)(ju)有重要意義。通(tong)過理論預測和(he)(he)(he)實驗相結(jie)(jie)合(he)(he)的(de)(de)方法，發(fa)現了(le)β-RE2Si2O7(RE=Yb和(he)(he)(he)Lu)是(shi)具(ju)(ju)有良好損傷(shang)容限的(de)(de)陶(tao)(tao)(tao)瓷材料。采用赫茲壓痕的(de)(de)方法引入塑性(xing)變形(xing)(xing)，結(jie)(jie)合(he)(he)透射電鏡(jing)對塑性(xing)變形(xing)(xing)區域進行觀察，研(yan)究(jiu)了(le)其室溫和(he)(he)(he)高(gao)溫的(de)(de)變形(xing)(xing)機制(zhi)。結(jie)(jie)果(guo)表明，β-RE2Si2O7的(de)(de)室溫變形(xing)(xing)機制(zhi)為變形(xing)(xing)孿(luan)晶(jing)和(he)(he)(he)位錯結(jie)(jie)合(he)(he);而在(zai)高(gao)溫變形(xing)(xing)時，位錯攀(pan)移成為了(le)主導(dao)的(de)(de)變形(xing)(xing)機制(zhi)。此外，通(tong)過可能(neng)孿(luan)晶(jing)模(mo)式(shi)的(de)(de)理論分析，解釋了(le)β-RE2Si2O7中只發(fa)現(110)變形(xing)(xing)孿(luan)晶(jing)的(de)(de)原因在(zai)于這種孿(luan)晶(jing)模(mo)式(shi)沒(mei)有原子拖曳(ye)、較(jiao)小的(de)(de)剪(jian)切(qie)應變和(he)(he)(he)較(jiao)低(di)的(de)(de)剪(jian)切(qie)變形(xing)(xing)阻(zu)力。
從晶(jing)體結(jie)構、化學成分和聲子(zi)(zi)弛豫時(shi)(shi)間的角度研究了幾種稀土雙硅(gui)酸鹽RE2Si2O7的熱導(dao)率(lv)(lv)。發現晶(jing)體結(jie)構復雜、含有較(jiao)重原子(zi)(zi)的RE2SGO7的熱導(dao)率(lv)(lv)更低，同時(shi)(shi)光學聲子(zi)(zi)的馳豫時(shi)(shi)間小，對RE2Si2O7熱導(dao)率(lv)(lv)貢獻非(fei)常小。
為(wei)(wei)了篩選出抗腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)性(xing)能(neng)(neng)更為(wei)(wei)優異(yi)的(de)稀(xi)(xi)土(tu)硅酸(suan)鹽陶瓷，本工作研究了X2-RE2SiO5和(he)RE2Si2O7在1400℃含有9.2％H2O和(he)1300℃表面涂覆CaO-MgO-Al2O3-SiO2(CMAS)情況(kuang)下(xia)的(de)腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)行(xing)為(wei)(wei)。結果表明，稀(xi)(xi)土(tu)單(dan)硅酸(suan)鹽抗水蒸氣腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)能(neng)(neng)力與稀(xi)(xi)土(tu)離(li)子半徑(jing)呈V字形關(guan)系，而其(qi)抗CMAS腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)性(xing)能(neng)(neng)與稀(xi)(xi)土(tu)離(li)子半徑(jing)呈線(xian)性(xing)關(guan)系。與相應(ying)的(de)RE2Si2O7相比(bi)，X2-RE2SiO5表現出更加(jia)優異(yi)的(de)抗水蒸氣腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)和(he)抗CMAS腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)性(xing)能(neng)(neng)。通過對稀(xi)(xi)土(tu)硅酸(suan)鹽腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)行(xing)為(wei)(wei)的(de)研究，為(wei)(wei)評(ping)價(jia)其(qi)抗腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)性(xing)能(neng)(neng)提(ti)供了可(ke)靠(kao)的(de)依(yi)據
