La2(Ce1-xZrx)2O7陶瓷的制備及其熱物理性能.pdf

1、熱障涂層（TBCs）是利用陶瓷材料優(yōu)越的耐高溫、抗腐蝕和低導(dǎo)熱性能，以涂層的方式將陶瓷與金屬基體相復(fù)合，提高金屬熱端部件的工作溫度，增強(qiáng)熱端部件的抗高溫氧化能力，延長熱端部件的使用壽命，提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率的一種表面防護(hù)技術(shù)。目前廣泛應(yīng)用的氧化釔部分穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)熱障涂層材料的長期最高使用溫度不能超過1200℃，在冷卻過程中由于相變產(chǎn)生單斜相而發(fā)生體積膨脹，從而導(dǎo)致涂層失效。然而，下一代高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱障涂層材料的長期使用溫度必須超

2、過1200℃，因此，研究新型熱障涂層材料已成為研制下一代高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵課題。本文針對(duì)以上要求合成了一種La2(Ce1-xZrx)2O7(x=0,0.15,0.3,0.45,0.5,0.6,0.7,0.75,0.9,1)陶瓷，并對(duì)其高溫相穩(wěn)定性、腐蝕性能，及其塊材的熱膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率和斷裂韌性等性能進(jìn)行了研究。
　　以氨水為沉淀劑采用共沉淀法制備的陶瓷粉末燒結(jié)后所得陶瓷塊材中，La2(Ce0.3Zr0.7)2O7的理論密度(

3、6.20 g/cm3)大于 La2Zr2O7的理論密度(6.02 g/cm3)，La2(Ce0.5Zr0.5)2O7中的La2Zr2O7相的理論密度要大于純的La2Zr2O7相，La2Ce2O7相的理論密度要小于純的La2Ce2O7相。另外，La2(Ce1-xZrx)2O7陶瓷粉末中 La2Ce2O7相和La2Zr2O7相的晶格常數(shù)的變化趨勢(shì)與La2(Ce1-xZrx)2O7陶瓷粉末中La2Ce2O7相和La2Zr2O7相的理論密度的變

4、化趨勢(shì)一致，隨著x由1減小到0.5，La2Zr2O7相的晶格常數(shù)逐漸增大，隨著x由0增大到0.5，La2Ce2O7相的晶格常數(shù)逐漸減小。隨著x值增加，緩解了La2Ce2O7陶瓷塊材在190℃和400℃之間的熱膨脹系數(shù)突然降低的情況，當(dāng) x=0.7時(shí)，不出現(xiàn)熱膨脹系數(shù)突然降低的現(xiàn)象。La2Ce2O7、La2(Ce0.7Zr0.3)2O7、La2(Ce0.5Zr0.5)2O7、La2(Ce0.3Zr0.7)2O7、La2Zr2O7陶瓷塊材在

5、400-1350℃的溫度范圍內(nèi)的線膨脹系數(shù)分別為12.23×10-6 K-1,11.76×10-6 K-1，10.29×10-6 K-1,9.62×10-6 K-1和8.92×10-6 K-1。并且在整個(gè)測(cè)試溫度范圍內(nèi)，La2(Ce0.3Zr0.7)2O7陶瓷塊材的熱膨脹系數(shù)比 La2Zr2O7高出約11％。陶瓷塊材的燒結(jié)速率在1400℃保溫階段隨著時(shí)間的變化而變化。La2Ce2O7、La2(Ce0.7Zr0.3)2O7、La2(Ce0

6、.5Zr0.5)2O7、La2(Ce0.3Zr0.7)2O7和La2Zr2O7燒結(jié)速率通過計(jì)算分別為2.08×10-7 s-1,2.19×10-7 s-1，2.01×10-7 s-1,1.13×10-7 s-1和1.53×10-7 s-1，La2(Ce0.3Zr0.7)2O7陶瓷塊材的抗燒結(jié)性能最好。并且當(dāng)溫度為900℃時(shí)，La2(Ce0.3Zr0.7)2O7、La2(Ce0.5Zr0.5)2O7、La2(Ce0.7Zr0.3)2O7和

7、La2Ce2O7的熱導(dǎo)率依次為1.07 W·m-1·K-1、1.12 W·m-1·K-1、1.14 W·m-1·K-1和1.11 W·m-1·K-1，La2(Ce0.3Zr0.7)2O7具有最低的熱導(dǎo)率。另外，La2Ce2O7、La2(Ce0.5Zr0.5)2O7和La2(Ce0.3Zr0.7)2O7陶瓷塊材在1450℃經(jīng)過長時(shí)間熱處理后具有很好的高溫相穩(wěn)定性，且La2(Ce0.5Zr0.5)2O7和La2(Ce0.3Zr0.7)2O7

8、陶瓷塊材具有較好的抗燒結(jié)穩(wěn)定性，使得 La2(Ce0.5Zr0.5)2O7和La2(Ce0.3Zr0.7)2O7陶瓷塊材在1450℃長期熱處理后顯微硬度和斷裂韌性有較大提高。
　　本文將V2O5及Na2SO4與V2O5組成的混合鹽涂覆在陶瓷表面，在800℃-1000℃之間研究熔鹽對(duì)陶瓷塊材的熱腐蝕行為，并通過XRD，SEM及EDS三種檢測(cè)手段獲得其腐蝕機(jī)理。當(dāng)腐蝕劑為V2O5時(shí)，La2Ce2O7、La2(Ce0.5Zr0.5)2O

9、7、La2(Ce0.3Zr0.7)2O7與V2O5發(fā)生的腐蝕反應(yīng)遵循路易斯酸堿平衡機(jī)制，腐蝕過程中主要腐蝕La2O3，最低限度的腐蝕 CeO2和ZrO2。La2Ce2O7與V2O5的腐蝕反應(yīng)過程中，當(dāng)腐蝕溫度為800℃時(shí)，主要產(chǎn)物腐蝕產(chǎn)物為La(VO4)（CeO2固溶到LaVO4中形成的固溶體)；當(dāng)腐蝕溫度為900℃時(shí)，主要產(chǎn)物為LaVO4和CeO2，當(dāng)腐蝕溫度為1000℃時(shí)，主要產(chǎn)物為LaVO4和CeO2，還有一少部分La(VO4)。

10、La2(Ce0.5Zr0.5)2O7與V2O5的腐蝕反應(yīng)過程中，當(dāng)腐蝕溫度為800℃和900℃時(shí)，主要產(chǎn)物均為LaVO4，La(VO4)和m-ZrO2；當(dāng)腐蝕溫度為1000℃時(shí)，主要產(chǎn)物均為 LaVO4，m-ZrO2和少量 CeO2。La2(Ce0.3Zr0.7)2O7與V2O5的腐蝕反應(yīng)過程中，腐蝕溫度為800℃、900℃和1000℃時(shí)，主要產(chǎn)物腐蝕產(chǎn)物均為LaVO4和m-ZrO2。且通過腐蝕后陶瓷塊材的截面SEM圖可以得出相同溫度下

11、 La2(Ce0.3Zr0.7)2O7抵抗 V2O5腐蝕的能力較 La2(Ce0.5Zr0.5)2O7和La2Ce2O7要弱一些。
　　當(dāng)腐蝕劑為 Na2SO4與V2O5的混合鹽時(shí)，腐蝕溫度為800℃時(shí)，La2Ce2O7、La2(Ce0.5Zr0.5)2O7、La2(Ce0.3Zr0.7)2O7與Na2SO4+V2O5反應(yīng)過程中均有Na2SO4剩余。La2Ce2O7與Na2SO4+V2O5的腐蝕反應(yīng)過程中，腐蝕溫度為800℃、90

12、0℃和1000℃時(shí)主要腐蝕產(chǎn)物均為LaVO4和CeO2；La2(Ce0.5Zr0.5)2O7與Na2SO4+V2O5的腐蝕反應(yīng)過程中，三種腐蝕溫度下主要腐蝕產(chǎn)物為LaVO4、CeO2和t-ZrO2，且La2(Ce0.5Zr0.5)2O7中La2Ce2O7相反應(yīng)完全，La2Zr2O7相剩余；La2(Ce0.3Zr0.7)2O7與Na2SO4+V2O5的腐蝕反應(yīng)過程中，三種腐蝕溫度下主要腐蝕產(chǎn)物為LaVO4和t-ZrO2，且La2Zr2O7