铈掺杂亚共晶锆酸盐-氧化锆复合材料的晶粒生长动力学与高温微结构演变研究

为解决传统YSZ热障涂层在1400℃以上高温环境中的相变失稳和烧结问题，内蒙古科技大学团队设计出新型La2(Zr1-xCex)2O7-SYSZ复合材料。研究通过固相反应法合成亚共晶组分材料，发现铈掺杂可调控t/c-ZrO2与烧绿石相共存结构，获得11.4 GPa硬度和2.8 MPa·m1/2韧性的优异组合，1450℃下晶粒生长机制从晶格扩散控制转向晶界扩散控制（n=2→4），为超高温TBCs提供新候选材料。

　　

在航空发动机和燃气轮机领域，热障涂层（TBCs）是保护镍基高温合金部件的关键屏障。目前商用钇稳定氧化锆（YSZ）涂层在1200℃以上会出现t''相分解和烧结致密化问题，导致热导率上升和涂层剥落。虽然钪-钇共稳氧化锆（SYSZ）将耐温极限提升至1400℃，但过量Sc₂O₃会引入氧空位加速晶界扩散。与此同时，稀土锆酸盐（如La₂Zr₂O₇）虽具有更低热导率，却面临热膨胀系数不匹配和低韧性的瓶颈。如何通过材料设计协同解决高温稳定性与力学性能的矛盾，成为发展下一代TBCs的核心挑战。

内蒙古科技大学的研究团队创新性地将铈掺杂锆酸盐与SYSZ复合，设计出La₂(Zr_1-xCe_x)₂O₇-7.5 mol.% Sc₂O₃-0.5 mol.% Y₂O₃/ZrO₂亚共晶体系。采用高纯氧化物原料通过1600℃/6h固相反应制备致密陶瓷，结合XRD、SEM、维氏硬度计等表征手段，系统研究了铈掺杂量对相组成、微观结构和力学性能的影响规律。

材料合成与结构特征
通过XRD证实所有组分均形成t/c-ZrO₂与烧绿石（pyrochlore）La₂(Zr,Ce)₂O₇两相共存结构，无杂相生成。随着Ce⁴⁺掺杂量增加，烧绿石相晶格常数从10.79 ?（x=0）线性膨胀至11.05 ?（x=1），符合Vegard定律。SEM显示材料呈现典型的亚共晶形貌，SYSZ相均匀分布在锆酸盐基体中。

力学性能突破
La₂(Zr_0.3Ce_0.75)₂O₇-SYSZ展现出最优综合性能：维氏硬度达11.4 GPa，较纯La₂Zr₂O₇提升40%；压痕断裂韧性2.8 MPa·m^1/2，归因于Ce⁴⁺掺杂引发的铁弹性畴转变（ferroelastic domain switching）和相变增韧效应。

高温晶粒生长动力学
1450℃热暴露300小时后，La₂(Zr_0.3Ce_0.75)₂O₇-SYSZ晶粒尺寸仅从0.99 μm增长至2.75 μm，远低于传统YSZ。动力学分析显示生长指数n从2（晶格扩散控制）逐渐增至4（晶界扩散控制），表明Ce⁴⁺在晶界的偏聚有效抑制了原子迁移。

该研究通过铈掺杂策略实现了三大突破：①构建t/c-ZrO₂与烧绿石相的稳定复相结构；②利用离子半径差异（Ce⁴⁺=1.01 ? vs Zr⁴⁺=0.84 ?）诱发晶格畸变强化；③通过亚共晶设计获得纳米级相间钉扎效应。这些发现为开发1400℃以上服役的TBCs提供了新材料设计范式，相关成果发表在《Journal of Alloys and Compounds》上。值得注意的是，研究团队提出的"晶界扩散主导机制"为理解稀土掺杂氧化物高温行为提供了新视角，而亚共晶组分设计思路可延伸至其他高温结构陶瓷体系。