【摘 要】
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热障涂层作为典型的多层结构复合材料,凭借其低导热率、良好的断裂韧性以及耐冲击等特点广泛应用于航空航天、交通和大型水力发电等领域。但随着航空发动机热端部件服役温度的不断提高以及更加严酷的工作环境,使得材料内部缺陷易形成初始裂纹,随着裂纹的扩展、汇集,导致涂层脱落,甚至发生材料断裂失效。这严重阻碍了热障涂层材料的应用和发展。因此,提高热障涂层的使用寿命迫在眉睫,研制具有高温相稳定、低热导、高断裂韧性的
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热障涂层作为典型的多层结构复合材料,凭借其低导热率、良好的断裂韧性以及耐冲击等特点广泛应用于航空航天、交通和大型水力发电等领域。但随着航空发动机热端部件服役温度的不断提高以及更加严酷的工作环境,使得材料内部缺陷易形成初始裂纹,随着裂纹的扩展、汇集,导致涂层脱落,甚至发生材料断裂失效。这严重阻碍了热障涂层材料的应用和发展。因此,提高热障涂层的使用寿命迫在眉睫,研制具有高温相稳定、低热导、高断裂韧性的新型热障涂层材料具有重要意义。本文利用固相反应法制备ZYTO体系复合陶瓷材料,从高温相稳定性、热物理性能、力学性能等方面展开研究。具体的研究内容如下:（1）本文利用氧化锆、氧化钇、氧化钽、氧化铒、氧化钛和氧化铌粉末为原料,引入高熵陶瓷的概念,采用高温固相合成法制备了复合陶瓷材料,研究ZYTO体系复合陶瓷材料的热物理性性能和力学性能,探究了影响性能的因素。通过X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）等手段分析陶瓷材料的物相组成及高温相稳定性;采用激光导热仪等仪器测量了复合陶瓷材料的比热、热扩散系数、热导率等热物理性能,探究了复合材料热物理性的影响因素;通过微米压痕仪对陶瓷试样的硬度、杨氏模量进行了测试,利用透射电子显微镜（TEM）分析了影响试样断裂韧性大小的主要原因。（2）通过改变（Zr YTa Ti Er）O复合陶瓷材料各元素配比,研究了复合陶瓷材料的高温相稳定性,热物理性能和力学性能。结果表明,（Zr YTa Ti Er）O复合陶瓷材料在1300-1600℃下烧结20 h具有良好的高温相稳定性,与YSZ相近的热膨胀系数和较低的热导率,尤其是(Zr0.544Y0.114Ta0.114Ti0.114Er0.114)O其热导率为2.17 W/m K。这是由于多元素掺杂的材料形成了复杂的结构和晶格畸变,阻碍了声子和光子在晶体中的传播,使ZYTO体系复合陶瓷材料的热导率较低。在（Zr YTa Ti Er）O复合陶瓷材料中杨氏模量和维氏硬度随着氧化锆含量的增多而减小,说明其它稀土元素对四方相氧化锆相变的抑制作用削弱。其中(Zr0.544Y0.114Ta0.114Er0.114Ti0.114)O具有最佳的力学性能,在铁弹增韧的作用下,其断裂韧性可达4.29 MPa·m1/2,相比于传统的YSZ热障涂层提高了1.5倍。（3）将（Zr YTa Ti Er）O复合陶瓷材料中Ti和Er元素分别替换为Nb,研究了材料的性能,其中(Zr0.544Y0.114Ta0.114Ti0.114Nb0.114)O的热导率最低,仅有0.98 W/m K。力学性能研究结果显示,（Zr0.544Y0.114Ta0.114Ti0.114Nb0.114）O、（Zr0.544Y0.114Ta0.114Ti0.114Er0.114）O虽然断裂韧性低于8YSZ,但是其较低的杨氏模量和较高的硬度依旧可以使其作为一种潜在的热障涂层材料继续开发。通过三组复合陶瓷材料抗腐蚀性研究发现(Zr0.544Y0.114Ta0.114Ti0.114Er0.114)O腐蚀速率仅有3.16μm/h,表现出优异的抗腐蚀性能。对比七种复合陶瓷材料,(Zr0.544Y0.114Ta0.114Ti0.114Er0.114)O复合陶瓷材料表现出了优异的力学性能和热物理性能,并且能够在1600℃长时间烧结保持相稳定性的特点。研究结果可为热障涂层的热物理性能和力学性能调控提供指导。
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