综述：关于复杂稀土热障氧化物在极端环境下的热光性能的综述：测量方法、材料与应用

《Journal of Rare Earths》：A review on thermo-optical properties of complex rare-earth thermal barrier oxides in extreme environments: Measurement methodology, materials and applications

稀土热障氧化物在高温涡轮叶片防护中的应用挑战与策略研究。摘要：先进发动机涡轮入口温度持续升高，对热障涂层（TBCs）的隔热和耐久性提出更高要求。研究聚焦稀土热障氧化物材料的热光学特性测量（热导率、反射率、发射率）及抑制热辐射穿透策略：通过新型材料与涂层结构设计提升反射率，采用掺杂与复合技术增强发射率。摘要

　　

摘要

先进发动机涡轮入口处的温度持续上升，这对用于保护由超级合金或陶瓷基复合材料制成的基材的热障涂层（TBCs）提出了更大的挑战。随着航空、航天、海军舰船、能源等先进推进系统需求的增加，TBCs的隔热性能和耐用性必须得到显著提升。在极端环境中运行的稀土热障氧化物而言，测量其热导率、发射率和反射率等热光学性能至关重要。本文概述了新型稀土热障氧化物的最新进展、热光学性能的测量方法，以及两种抑制热辐射穿透TBCs的策略：通过设计新型材料和涂层结构来提高反射率，以及通过掺杂和复合技术来增强发射率。此外，本文还提供了关于稀土热障氧化物涂层在现代工业各个领域潜在应用和挑战的新见解。

引言

燃气轮机发动机是国家工业实力和技术水平的重要象征。由于镍基超级合金在宽温度范围内的优异耐热性和高强度，它们被广泛用于发动机叶片¹。涡轮入口的温度是影响发动机性能的最关键因素之一，因为提高其工作温度可以大幅提高燃气轮机的效率和输出功率。如今，先进发动机的涡轮入口温度已经超过了镍基超级合金的使用极限温度，这可以通过应用先进的冷却技术（如薄膜冷却）以及在其表面涂覆保护性热障涂层（TBCs）来实现。TBCs通常具有双层结构，包括低热导率的陶瓷顶层和用于提高结合强度的粘结层<2, 3>。使用低热导率的热障涂层可以将发动机叶片的温度降低约373–573 K，从而显著延长叶片的使用寿命⁴。

6 wt%–8 wt%的氧化钇稳定氧化锆（YSZ）因其相对出色的性能而被广泛用作TBCs材料⁵。然而，在超过1200 °C的热循环过程中，YSZ的相变会导致体积膨胀，从而引起涂层开裂和失效⁶。因此，迫切需要开发替代YSZ的先进TBCs材料。在新型TBCs材料的研发过程中，研究人员发现，随着热障涂层材料使用温度的升高，某些先进热障涂层材料（如稀土锆酸盐）的热导率也会增加，严重影响其隔热能力。这归因于它们的红外半透明特性，导致在高温下辐射传热增强。因此，研究人员开始关注高温下热障涂层材料的辐射增强问题。随着飞机发动机的推重比接近15–20，涡轮入口的温度将超过2000 K。Koutsakis和Clark的计算表明，当气体温度达到2000 K时，TBCs内的热通量（包括热传导和热辐射）比纯热传导的情况高出30%⁷。根据维恩位移定律和普朗克定律，80%的辐射能量分布在1–5 μm的波长范围内。在这种条件下，不仅需要关注热传导，还需要特别关注热辐射。未来发展的重点将是如何抑制热辐射的穿透并进一步提高TBCs的隔热性能⁸。

在下一代TBCs的研发中，由于辐射传热在总传热中的比例不断增加，测量TBCs材料在高温条件下的热光学性能（如反射率、发射率和透射率）变得尤为重要。这些性能对TBCs在高温环境下的整体隔热性能有显著影响，并将成为评估涂层抑制高温燃烧气体引起的近红外辐射传热能力的关键指标。第1节简要介绍了稀土热障氧化物的热光学性能和测量方法、TBCs的应用背景、高温下的新挑战以及测量TBCs热光学性能的重要性。第2节分析了可能用于TBCs领域的各种稀土热障氧化物。第3节讨论了提高TBCs热辐射屏蔽能力的策略。第4节介绍了多种热光学性能的测量方法。第5节探讨了潜在热防护应用中材料设计、制造和应用面临的关键挑战。第6节总结了当前的成果并展望了未来发展方向。

章节片段

基于氧化锆的热障氧化物

ZrO₂的熔点高达2700 °C，热导率在2.0至2.5 W/(m·K)之间，使其成为TBCs的潜在候选材料<9, 10, 11, 12>。研究人员发现ZrO₂存在三种相：单斜相-ZrO₂、四方相-ZrO₂和立方相-ZrO₂^{13。ZrO₂的相变会导致体积变化，从而引起陶瓷涂层的开裂。为了提高其稳定性并避免体积变化的负面影响，研究人员采用了掺杂策略}

抑制热辐射穿透TBCs的策略

面对涡轮入口处工作温度的进一步升高，必须认真考虑辐射传热增强的影响。根据能量守恒定律和基尔霍夫定律，提高涂层的反射率或发射率可以有效降低其红外透射率，抑制高温气体引起的辐射传热增强，从而进一步提高其在高温下的隔热性能

热光学性能的测量

对于稀土热障氧化物而言，测量其热光学性能至关重要。根据TBCs的使用环境，它们应具有尽可能低的热导率以降低超级合金的温度，并具有高反射率/发射率以减少热辐射的穿透。本节将重点介绍稀土热障氧化物材料的热导率、发射率和反射率的测试方法。

潜在热防护应用中面临的挑战

在现代工业的各个领域（如航空、航天、海军舰船、能源等）的极端应用环境中，稀土热障氧化物涂层仍面临许多挑战，例如涂层耐用性、烧结抗性和耐热腐蚀性等。这部分将从材料设计、制造和应用三个角度进行详细讨论。

结论与展望

总之，在寻找更先进的稀土热障氧化物以替代YSZ的过程中，研究人员逐渐认识到高温下辐射传热的增强和光子传导比例的增加，导致高温热导率的升高。开发具有优异热光学性能的稀土热障氧化物已成为TBCs领域的新方向。

• (1)
  激光闪光法被广泛

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。