稀土钛酸盐RE2Ti2O7陶瓷的热力学特性及其在热障涂层中的创新应用研究

为解决传统热障涂层材料（如YSZ）在高温下相变稳定性差、热导率不足等问题，研究人员通过高温固相法制备了RE2Ti2O7（RE=Ho, Er, Tm, Yb）烧绿石结构陶瓷。该材料展现出低热导率（1.31 W·m?1·K?1）、高硬度（10.1 GPa）及优异的高温稳定性（1350°C无相变），且与镍基合金热膨胀系数匹配，为下一代航空发动机热障涂层提供了新选择。

　　

随着航空发动机和燃气轮机向更高温、更高效方向发展，镍基合金在极端环境下的热应力、氧化和疲劳问题日益突出。传统热障涂层材料如氧化钇稳定氧化锆（YSZ）虽广泛应用，但其使用温度上限仅为1200°C，且高温下易发生相变失效。如何开发兼具低热导率、高稳定性且与基体材料热匹配的新型涂层，成为材料科学领域的重大挑战。

针对这一需求，中国的研究团队通过高温固相法成功制备了四种稀土钛酸盐RE₂Ti₂O₇（RE=Ho, Er, Tm, Yb）陶瓷。这类具有烧绿石结构（Pyrochlore）的材料因其独特的晶格畸变和声子散射特性，展现出突破性的综合性能：在1200°C时热导率低至1.31 W·m^?1·K^?1，比传统YSZ降低近50%；维氏硬度达10.1 GPa，断裂韧性2.72 MPa·m^1/2；更关键的是在1350°C持续50小时仍无相变，其热膨胀系数（10.0–10.8×10^?6 K^?1）与镍基合金完美匹配。这些发现为突破现有热障涂层的温度极限提供了全新解决方案，相关成果发表于《Materials Today Physics》。

研究采用三大关键技术：1）高纯稀土氧化物与TiO₂的固相烧结工艺；2）X射线衍射（XRD）与拉曼光谱联用表征晶体结构；3）激光闪光法测定热扩散系数。通过系统分析发现：Ho₂Ti₂O₇在所有样品中热导率最低，归因于重稀土元素引起的强烈声子散射；所有样品在100–1200°C范围内的热膨胀曲线呈线性，证实其热机械稳定性；与Al₂O₃的化学兼容性测试表明无有害界面反应。

结论部分强调，RE₂Ti₂O₇陶瓷通过烧绿石结构的本征特性，实现了热-力-化学性能的协同优化。其低热导率源于重稀土元素引起的质量无序和晶格畸变，而高硬度则与RE-O键的强键合相关。该研究不仅为设计新一代热障涂层提供了材料基础，其"高熵化"设计思路还可拓展至其他功能陶瓷领域。正如通讯作者Detian Wan指出，这类材料的工业化应用将显著提升航空发动机的推重比与服役寿命。