【摘 要】
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自1953年热障涂层（Thermal Barrier Coatings,简称TBCs）概念提出以来,研究学者对其进行不断的探索,随着发动机工作温度的不断提高,热障涂层使用条件变得更加恶劣,使得目前广泛应用7～8 wt.%Y2O3稳定ZrO2（YSZ）陶瓷材料局限性增加,如8YSZ在降温时容易发生四方相t相向单斜相m的转变,抗CMAS腐蚀能力较弱等,因此人们针对新一代热障涂层材料与结构进行了一系列探
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自1953年热障涂层（Thermal Barrier Coatings,简称TBCs）概念提出以来,研究学者对其进行不断的探索,随着发动机工作温度的不断提高,热障涂层使用条件变得更加恶劣,使得目前广泛应用7～8 wt.%Y2O3稳定ZrO2（YSZ）陶瓷材料局限性增加,如8YSZ在降温时容易发生四方相t相向单斜相m的转变,抗CMAS腐蚀能力较弱等,因此人们针对新一代热障涂层材料与结构进行了一系列探索,如掺杂改性8YSZ、新的锆酸盐陶瓷等材料,发现它们的断裂韧性及抗热震性能都不如8YSZ。本课题研究了具有铁弹性的新型锆钽系列热障涂层材料,通过制备（2x=0,10%,15%,20%mol）ZrO2掺杂YTaO4陶瓷块体,对其微观结构、热学性能（热导率、热膨胀系数）进行研究,并通过三点弯曲法结合数字图像散斑法原位表征陶瓷在高温下的断裂韧性、断裂强度和杨氏模量,分析陶瓷材料力学性能随温度演变规律,为研究锆钽系列涂层材料提供热-力学实验数据基础,主要研究内容如下:1、通过相图确定掺杂成分,采用高温固相反应法合成（2x=0,10%,15%,20%mol）ZrO2掺杂YTaO4陶瓷块体,通过XRD、SEM、EDS等基础表征技术对其相结构及微观组织进行分析,发现10%mol ZrO2掺杂YTaO4陶瓷粉末/块体XRD图谱与标准卡片（PDF#24-1415）的衍射峰重合,说明成功制备得到单斜M相结构YTaO4陶瓷,当ZrO2掺杂含量达到15%mol时,陶瓷XRD存在四方T相ZrO2衍射峰。对比四种不同掺杂比例的陶瓷表面微观,我们发现陶瓷晶粒尺寸随着Zr含量增加是逐渐减少的,EDS能谱图显示Ta、Y、Zr、O四种元素分布均匀,当ZrO2掺杂含量达到15%mol时陶瓷样品存在第二相析出现象。2、采用热膨胀仪与激光热导仪对陶瓷分别进行热膨胀系数和热导率测试,结果表明,在室温至1000℃时,不同含量（2x=0,10%,20%mol）Zr元素的YTaO4陶瓷热膨胀系数分别为2.8×10-6 K-1～10.9×10-6 K-1、1.7×10-6 K-1～10.4×10-6K-1、0.4×10-6 K-1～10.3×10-6 K-1,可以发现随着Zr含量增加,材料热膨胀系数逐渐降低。在室温至1200℃时,不同含量（2x=0,10%,15%,20%mol）Zr元素的YTaO4陶瓷热导率在室温至1200℃时分别为1.7 W/（m·K）～4.1 W/（m·K）、1.5W/（m·K）～2.6 W/（m·K）、1.6 W/（m·K）～2.7 W/（m·K）、1.6 W/（m·K）～2.7 W/（m·K）。结果表明,在800℃以下纯YTaO4陶瓷块体热导率随着温度升高逐渐降低,800℃至1200℃时由于热辐射占比逐渐增加,导致陶瓷热导率逐渐上升,掺杂Zr元素陶瓷块体热导率变化趋势大致与纯YTaO4陶瓷一致,在800℃以下其热导率相对于纯YTaO4陶瓷而言大幅度下降,而800℃至1200℃时,其热导率大于纯YTaO4陶瓷。3、通过自主搭建的高温环境三点弯曲测试平台结合数字图像散斑方法对陶瓷材料在室温、400℃、600℃、800℃情况下的力学性能进行表征,并分析其杨氏模量、断裂韧性、断裂强度随温度演变的规律。结果表明掺杂10%mol ZrO2陶瓷的力学性能随测试温度增加而减小,断裂韧性由室温下的2.6 MPa·m1/2下降到2.3 MPa·m1/2,断裂强度与杨氏模量的变化规律同断裂韧性变化规律一致,均呈平缓下降趋势。对比不同温度下纯YTaO4杨氏模量样品SEM图像,我们可以发现断面微观随着温度增加没有发生明显变化,对比室温和800℃纯YTaO4杨氏模量样品TEM图像,发现室温下显微裂纹扩展路径比高温下更为曲折,即需要消耗更多断裂能。
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