通过添加Al?O?来改善(ZrRE)O?陶瓷的机械性能和高温烧结性能

《Journal of Alloys and Compounds》：Improvement mechanisms of mechanical and high-temperature sintering performances of (ZrRE)O 2 ceramics by adding Al 2O 3

本研究通过添加不同浓度Al?O?制备xAl?O?-(1-x)(ZrRE)O?复合陶瓷，系统研究其对GdYb-YSZ陶瓷微观结构、相组成、力学性能及高温烧结性能的影响。结果表明，添加10% Al?O?可使复合陶瓷断裂韧性提升38%，同时保持低热导率，经1400℃烧结100小时后仍保持稳定微观结构和优异力学性能。

　　本研究探讨了一种新型的热障涂层材料——xAl?O?-(1-x)(ZrRE)O?复合陶瓷的制备及其性能优化。随着燃气轮机技术的发展，其工作温度不断提高，传统的8YSZ材料（8 wt% Y?O?部分稳定ZrO?）在高温环境下表现出一系列问题，如相变、烧结、热绝缘性能下降以及高温腐蚀等，这些因素严重影响了涂层的使用寿命。因此，开发具有更低热导率、更好高温相稳定性和抗烧结性能的新材料成为迫切需求。多稀土掺杂氧化锆作为潜在候选材料，因其在降低热导率和提高高温相稳定性方面表现出显著优势，引起了广泛关注。

在本研究中，研究人员通过化学共沉淀和高温烧结法，成功制备了一系列xAl?O?-(1-x)(ZrRE)O?复合陶瓷材料。其中，(ZrRE)O?指的是由ZrO?、Y?O?、Yb?O?和Gd?O?组成的复合氧化物，其摩尔比为90ZrO?-4Y?O?-3Yb?O?-3Gd?O?。研究的重点在于探讨Al?O?掺杂浓度对材料微观结构、相组成、机械性能以及热传导性能的影响。特别是，研究关注了在1400 °C下长时间烧结后，材料的性能变化情况。

实验结果显示，纯(ZrRE)O?陶瓷主要由单相c-ZrO?构成，而掺杂Al?O?的复合陶瓷则表现出双相结构，包括c-ZrO?和α-Al?O?。Al?O?的加入不仅改变了材料的微观结构，还显著提升了其机械性能。具体而言，随着Al?O?浓度的增加，复合陶瓷的断裂韧性不断提高。例如，10% Al?O?掺杂的复合陶瓷断裂韧性比纯(ZrRE)O?提高了约38%。同时，其弹性模量也有所提升。然而，值得注意的是，Al?O?的加入并未显著改变材料的热导率，保持在较低水平，这表明其在降低热传导方面具有一定的潜力。

进一步分析表明，10% Al?O?掺杂的复合陶瓷在1400 °C下烧结100小时后，其晶粒尺寸、相组成、维氏硬度和断裂韧性均未发生明显变化，说明该材料具有良好的高温烧结稳定性。这一发现对于开发能够在极端高温条件下长期服役的热障涂层材料具有重要意义。相比之下，纯(ZrRE)O?材料在高温烧结过程中容易发生晶粒粗化，导致机械性能下降和热绝缘能力减弱。

从材料科学的角度来看，Al?O?的引入可能通过以下几种机制改善了复合陶瓷的性能。首先，Al?O?作为第二相，可以有效阻碍ZrO?晶粒的生长，从而实现晶粒细化。晶粒细化通常能够提高材料的机械强度和断裂韧性，因为晶界数量的增加会阻碍裂纹的扩展。其次，Al?O?的添加可能促进了材料内部的应力分布，从而减少了因晶粒生长不均而导致的裂纹形成。此外，Al?O?的高熔点特性可能有助于在高温烧结过程中维持材料的结构稳定性，防止因烧结而导致的性能劣化。

值得注意的是，尽管Al?O?的加入显著提升了材料的机械性能和高温烧结稳定性，但其对热导率的影响相对较小。这意味着，在追求材料综合性能的过程中，Al?O?的掺杂能够在不牺牲热绝缘性能的前提下，增强材料的机械强度和抗烧结能力。这一特性对于热障涂层材料尤为重要，因为热障涂层需要在提供良好热绝缘性能的同时，具备足够的机械强度以承受高温环境下的热应力和机械载荷。

此外，本研究还发现，Al?O?的分布对材料的性能有重要影响。在复合陶瓷中，Al?O?相相对均匀地分布在(ZrRE)O?晶粒周围，这种分布方式有助于形成稳定的微观结构，并进一步增强材料的机械性能。均匀分布的第二相通常能够更有效地阻碍主相的晶粒生长，从而提高材料的整体性能。因此，控制Al?O?的分布是优化复合陶瓷性能的关键因素之一。

在实际应用中，热障涂层材料需要在极端条件下长期服役，这意味着材料不仅需要具备良好的热绝缘性能，还必须具有优异的机械性能和抗烧结能力。本研究的发现表明，通过合理设计Al?O?的掺杂浓度，可以有效提升复合陶瓷的综合性能，使其成为一种具有应用前景的新型热障涂层材料。特别是在燃气轮机等高温设备中，这种材料可能能够显著延长涂层的使用寿命，提高设备的运行效率和安全性。

为了进一步验证这一结论，研究人员对不同Al?O?浓度的复合陶瓷进行了系统的性能测试，包括微观结构分析、机械性能测试和热导率测量。这些测试不仅揭示了Al?O?浓度对材料性能的影响规律，还为后续材料设计和性能优化提供了重要的理论依据。通过这些实验，研究人员能够更好地理解Al?O?在复合陶瓷中的作用机制，并为实际应用提供可靠的材料数据支持。

从材料制备的角度来看，化学共沉淀和高温烧结法是一种高效且可控的工艺，能够实现对Al?O?浓度的精确调控。这一方法的优势在于，可以在较低的烧结温度下获得高质量的陶瓷材料，同时保持材料的均匀性和稳定性。此外，该方法还能够避免传统烧结过程中可能出现的晶粒粗化和结构劣化问题，从而确保材料在高温条件下的性能表现。

在实际应用中，热障涂层材料的选择不仅取决于其热导率和机械性能，还需要考虑其与其他材料的相容性。例如，Al?O?与(ZrRE)O?之间的热化学相容性可能对涂层的长期稳定性产生重要影响。研究发现，Al?O?与(ZrRE)O?之间具有良好的相容性，这表明在高温环境下，两者之间不会发生剧烈的化学反应或结构变化，从而确保了涂层的稳定性和可靠性。

综上所述，本研究通过引入Al?O?，成功改善了多稀土掺杂氧化锆陶瓷的机械性能和高温烧结稳定性，同时保持了较低的热导率。这一成果为开发高性能的热障涂层材料提供了新的思路和方法。未来的研究可以进一步探索不同Al?O?浓度对材料性能的优化路径，以及如何通过其他元素的掺杂或结构设计进一步提升材料的综合性能。此外，还可以研究这些复合陶瓷在实际应用中的表现，如在高温燃气轮机部件上的耐久性和可靠性，从而推动其在工业领域的广泛应用。