氧化铈掺杂氧化钇稳定氧化锆的热膨胀特性
氧化锆陶瓷 钇稳定氧化锆
氧化锆陶瓷钇稳定氧化锆氧化锆陶瓷，又称氧化锆陶瓷材料，是一种高性能陶瓷材料。
氧化锆陶瓷具有高硬度、高强度、高耐磨性、高耐腐蚀性、高绝缘性、高温稳定性等优点，在各种工业领域都有着广泛的应用。
其中，钇稳定氧化锆更是氧化锆陶瓷中的一款特殊的陶瓷材料。
钇稳定氧化锆的生产工艺与氧化锆陶瓷材料相似，只是在材料制备过程中，加入了适量的钇元素。
经过高温烧结处理，就能得到钇稳定氧化锆。
相较于普通氧化锆陶瓷，钇稳定氧化锆具有更加优异的物理化学性能。
其主要特点如下：1.更高的机械强度：钇稳定氧化锆的断裂韧性高，能承受更高的机械强度。
2.更好的抗磨性：钇稳定氧化锆的硬度比氧化锆要高，且粒径明显细小，因此表现出更好的抗磨性能。
3.更优越的抗氧化性：氧化锆材料容易受到氧化作用的影响，而钇稳定氧化锆则能够有效地抵抗氧化。
4.更高的耐腐蚀性：钇稳定氧化锆不仅具有普通氧化锆的优良耐腐蚀性能，还具有更好的对水和酸碱性溶液的抗腐蚀性。
5.更佳的电气性能：钇稳定氧化锆不仅具有库仑摩擦系数低、介电强度高、体积电阻率大等电气性能，还具有良好的电子放射能力，被广泛用于医疗领域。
由于其卓越的物理化学性能，钇稳定氧化锆在工业领域的应用前景十分广阔。
例如，钇稳定氧化锆可以用于制造高温炉具、陶瓷转子、送气管道、耐腐蚀泵、医疗器械等产品。
此外，钇稳定氧化锆还可以用于涂层、薄膜等功能性表面处理中。
总之，钇稳定氧化锆作为氧化锆陶瓷材料的一种，具有高硬度、高强度、高耐磨性、高耐腐蚀性、高绝缘性、高温稳定性、电气性能等诸多优点，被广泛应用于工业领域。
同时，由于其优越的性能，在今后的发展中也有着广阔的应用前景。
氧化铈热膨胀系数
氧化铈（CeO2）是一种陶瓷材料，由于其独特的物理和化学性质，如高热稳定性和优异的氧化还原性能，它在许多高科技应用中都非常重要，包括作为催化剂、氧传感器、涂层材料以及在电池和燃料电池中的电解质。
氧化铈的热膨胀系数是指材料温度变化时，其尺寸（如长度、体积）随温度变化的比率。
热膨胀系数是一个材料属性，通常用α 表示，其定义为：
\[ \alpha = \frac{\Delta L}{L \cdot \Delta T} \]
其中：
ΔL 是温度变化ΔT 时材料长度的变化量，
L 是材料的初始长度。
对于氧化铈，其热膨胀系数在不同温度范围内可能会有所不同。
在较宽的温度范围内，氧化铈的热膨胀系数通常在8×10^6 /°C 到12×10^6 /°C 之间。
然而，具体的热膨胀系数取决于氧化铈的纯度、微观结构和制备方法。
在极端温度下，例如在高温或快速温度变化的情况下，热膨胀系数可能会发生变化，因为材料内部的应力和结构变化会导致热膨胀行为的变化。
由于热膨胀系数是材料性质的一个关键参数，它在工程设计和材料选择中非常重要，特别是在需要材料在温度变化环境下保持尺寸稳定性的应用中。
氧化钇稳定氧化锆热容
氧化钇稳定氧化锆热容
氧化钇稳定氧化锆（YSZ）的热容取决于其制备方法和添加的氧化钇的量。
一般来说，氧化钇稳定氧化锆的热容较高，具有优良的抗热震性和化学稳定性，因此在高温和腐蚀性环境中表现出较好的性能。
此外，氧化钇稳定氧化锆还具有较好的断裂韧性和抗弯强度，因此被广泛应用于陶瓷、玻璃、电子、冶金等领域。
在具体的生产过程中，为了提高氧化钇稳定氧化锆的热容，可以加入一些添加剂，如二氧化硅、氧化钙等。
但是需要注意的是，这些添加剂的选择和使用应该根据具体的生产要求和使用环境来进行评估和确定，以避免影响产品的性能。
因此，对于具体的热容数据，建议查阅相关的专业文献或咨询专业人士以获取更准确的信息。
氧化铈和氧化钪掺杂对氧化锆材料中点缺陷的影响
氧化铈和氧化钪掺杂对氧化锆材料中点缺陷的影响作者：陶景超来源：《上海师范大学学报·自然科学版》2017年第06期摘要：介绍了两种稀土元素掺杂的氧化锆（ZrO2）材料：氧化铈（CeO2）掺杂ZrO2和氧化钪（Sc2O3）掺杂ZrO2.CeO2掺杂ZrO2材料的研究重点是温度和氧分压对其氧空位形成的影响，以及由此带来的其热力学参数的变化.Sc2O3掺杂ZrO2材料的研究重点在ZrO2的掺杂含量对其氧空位数量的影响，以及氧空位作为离子导通的载体在晶体和晶界上的变化对材料导电性能的作用.关键词：氧化锆；点缺陷；氧空位中图分类号： O 611.62文献标志码： A文章编号： 1000-5137（2017）06-0835-10Abstract：The advanced properties of rare-earth oxide doped zirconia materials are closely related to the different types of point defects which exist in zirconia crystals.These point defects are mainly in the form of oxygen vacancies.The research sample is zirconia doped ceria （ZDC）.This kind of doping doesn′t result the appearance of oxygen vacancy.But cerium is not a single valence ele ment.It has two possible valences+4 and+3 which results the reducing or oxidizing of Ceria.The reducing and oxidizing of Ceria could result the dissociating of oxygen atom from internal crystal with the variation of oxygen partial pressure and temperature.The second type is hetero-valence doping.The research sample is Scandia stabilized Zirconia （ScSZ）.The doping leads to the charge compensation which results the appearance of oxygen vacancy.The concentration of this kind of oxygen vacancy is a constant with the doping ratio of Scandia but not the function of oxygen partial pressure.Key words：zirconia； point defect； oxygen vacancy0引言氧化锆（ZrO2）是一种十分重要的结构和功能材料，它具有非常优异的物理和化学性能[1].纯 ZrO2在室温下是单斜相（空间群P21/c）[2-3]；随着温度的升高，ZrO2材料在1 400 K的时转变为四方相（空间群P42/nmc）；继续升温达到2 650 K时，它会转变成立方萤石结构（空间群fm3m）[4-6].立方ZrO2萤石结构由Zr4+构成的面心立方点阵占据1/2的八面体空隙组成，O2-占据面心立方点阵所有的4个四面体空隙.四方ZrO2相当于萤石结构沿着c轴拉长而变形的晶体结构.单斜相ZrO2晶体则可以看作四方ZrO2沿着β角偏转一个角度而构成.由硬球理论可以得出，为了形成稳定的八面体配位结构，晶体中的阳离子与阴离子的半径比（r+/r-）应大于0.732，当r+/r-正是由于ZrO2的多相体系，其在相变时晶格参数也随之变化.升温时，由于吸收热量，ZrO2存在明显的体积收缩；而降温时，其体积膨胀，这是造成陶瓷龟裂的原因.这种现象造成了纯ZrO2在应用上的局限性.一些稀土氧化物（如氧化钇Y2O3、氧化钪Sc2O3、氧化镁MgO或氧化铈CeO2）的添加可以将ZrO2在高温的晶体结构在室温下保留，称为稳定作用.同时也可以改善ZrO2热机械性能，使得材料具备高强度、高韧性，以及优良的抗热震性能，称为增韧作用[10-11].增韧ZrO2陶瓷应用广泛，在发动机、内燃机领域可以用作汽缸内衬、活塞顶、气门导管、进气和排气阀座、轴承、挺杆、凸轮、凸轮随动件和活塞环等零件；在结构陶瓷领域可以用作光纤接插件及套管、ZrO2磨介、刀具、纺织及烟草机械承板等[12-14].稀土氧化物对ZrO2高温相的稳定机理一直是科研工作者的热门研究课题.Garvie等[15]认为ZrO2粉体的尺寸对ZrO2的相变有很大的影响，他认为存在一定的临界晶粒尺寸，超过这个晶粒尺寸，四方相ZrO2就会转变为单斜相.Shukla等[16]做了大量的计算工作，最终得出10 nm是ZrO2从四方相向单斜相转变的临界尺寸.Tsunekawa[17]通过第一原理计算出立方ZrO2向四方ZrO2转变的临界尺寸是2 nm.除了晶粒尺寸效应的解释外，目前比较流行的也是被普遍接受的掺杂稳定机理是通过氧空位和Zr-O共价键能量变化来解释[18].该理论认为，纯ZrO2是稳定的7配位的单斜结构，当低价态的阳离子（如Y3+，Sc3+）加入时，为了达到电荷平衡，晶体内部就产生了相应数量的氧空位.Zr4+和氧空位组合会减小Zr4+的配位数，使其配位数倾向于小于7.为了维持有效配位数，Zr-O共价键主导的晶体结构就会形成一个虚拟的8配位的晶体结构（大于7），同时吸收产生的氧空位与相邻的Zr4+形成新的晶格.因此，8配位的四方相和立方相晶体结构中的氧空位和Zr4+的组合有减少配位数小于8的倾向[19-20].稀土掺杂ZrO2能够将其高温相稳定在室温下，形成复合多相材料.此种材料在能源领域有特殊应用，长期以来一直是研究者关注的热点.例如Y2O3稳定ZrO2（YSZ）[2-4，21-22]和氧化钪稳定的ZrO2（ScSZ）[23-26]立方晶体结构具有良好和稳定的离子电导性能，可以用作固体氧化物燃料电池（SOFC）的电介质材料；ZrO2掺杂CeO2（ZDC）材料不仅可以用做汽车尾气催化剂[27-29]，而且最新的研究发现它可以利用太阳能来分解水，从而产生清洁能源氢气（H2）[30-33].综上所述，稀土氧化物掺杂改进了ZrO2材料的性能，其本质是在ZrO2内部产生了不同类型和机制的点缺陷，这些点缺陷主要以氧空位的形式存在.这些氧空位的存在使ZrO2材料显示出不同的物理、化学性能（如Y2O3稳定ZrO2，在其晶格内部形成的固定氧空位，可以使氧离子在一定温度下自由导通，显现出良好的离子导电性能；又比如掺杂同价CeO2的ZrO2材料，在氧化还原的气氛下，晶体内部的氧原子和外界气氛中的氧气O2，由于需要达到某种热力学平衡，使得晶格中的氧原子和外部的O2进行不断交换，使得这种材料显现出不同寻常的热力学性能）.这些性能使得ZrO2材料可以作为很好的新能源材料.1ZrO2中的点缺陷在考虑固体中点缺陷行为时，最重要的两点是点缺陷的类型和点缺陷的浓度.但是这两个重要参数并不是独立的，它们依赖于一些特定的参数，如晶体结构、化学组分、粒子间作用力以及温度等.在研究过程中发现材料的物理性能如密度、熔点、电导率、扩散系数和吸光性也都是研究点缺陷的重要线索[34-41].1.1Kroger-Vink 表示法要描述点缺陷，就需要用点缺陷的化学反应公式.标准的描述固态离子点缺陷的方法称为Kroger-Vink 表示法.这种表示法将点缺陷分为三个部分（图1）：一、缺陷主体，如果是空位就用“V”表示，如果是元素，就用该元素的分子式表示，例如金属锆就用“Zr”表示；二、符号的下标代表缺陷所占据的是晶格中的正常点位还是间隙位置，如果是正常点位就用该点位的化学元素符号表示，如果是间隙位置就用“i”表示；三、符号的上标表示有效电荷，一点（·）代表正电荷，一撇（′）代表负电荷，（x）表示中性.1.2ZrO2中点缺陷的分类ZrO2中的点缺陷主要分为本征缺陷和外因引起的缺陷.本征缺陷主要是由于晶格内部的原子在温度升高的情况下得到了能量，使原子发生振动，最终导致原子偏离自己本来在晶格中的位置，形成点缺陷.ZrO2中的主要本征点缺陷有肖特基、弗伦克尔阴离子、弗伦克尔阳离子以及反肖特基这几种.它们的缺陷化学反应公式见式（1）～（4）.可以看出肖特基缺陷中的空位是成对出现的，并且最终正常点位上的原子大多数都逃离到材料的表面或者晶界上.而弗伦克尔型缺陷中通常只出现一个空位，这个位置上的原子逃离到了晶格中原子的间隙处.由于本征缺陷通常要在很高的温度下（一般认为熔点的一半温度）才能形成足以影响材料性能的浓度.即使达到了这个温度，通常缺陷浓度也在10-6的数量级.因此，本征点缺陷对ZrO2材料的影响一般情况下不做讨论.外因作用引起的点缺陷通常可分为掺杂引起的点缺陷，以及由于元素本身的多种价态在不同的氧分压下引起的氧化还原反应，从而形成的点缺陷.掺杂又分为同价掺杂和异价掺杂，同价掺杂是指掺杂的元素和锆是同价的，这样不会由于价态的变化引起电荷补偿，从而形成点缺陷（通常是氧空位），如CeO2和ZrO2的掺杂（阳离子都是4价的）.异价掺杂是指掺杂的元素和锆不同价，由于要达到晶格内的电中性，从而形成了氧空位，如Y2O3和Sc2O3掺杂的ZrO2.由式（5）可以得出，每2 mol的Sc2O3替代ZrO2就会伴随1 mol的氧空位的产生.因此这种异价掺杂引起的缺陷的浓度是由掺杂元素的掺杂比例所决定的，并且是一个定值.另一种由外因作用引起的点缺陷是由元素本身的多价态引起的，如ZrO2掺杂CeO2中，铈和锆同为4价，所以不存在电荷补偿引起的氧空位点缺陷.但是，由于铈是多价态化合物，因此在温度和外界氧分压的作用下就会形成式（6）式的反应.从（6）式的反应方程式中可以分析出，稳定的正4价铈在一定条件下从正常点位的氧离子中得到电子，被还原成正3价铈，氧离子失去电子后产生氧空位，并释放出O2.其实质可以改写成式（7）.简单地说，就是晶格中的游离态的氧和气态的氧发生氧化还原反应，并在一定条件下达到平衡状态，这样的反应就会形成氧空位，而氧空位的比例显然是和外部的氧分压有关的.由于铈的多价态性，CeO2就有两个分子式：CeO2和CeO1.5.在发生氧化还原反应的整个过程中氧的化学定量比是非定量的，称之为非化学定量比，对CeO2来说，氧的非化学定量比的值是在0～0.5之间的，这个值取决于温度和氧分压.1.3ZrO2中的点缺陷组合Ramamoorthy等[42]发现，在Y2O3掺杂的ZrO2（YSZ）中，添加的Y2O3的比例和材料的导电性能并不完全成正比.如图2所示，添加氧化钇比例最多的12 %（物质的量分数）的YSZ材料的导电性能小于添加Y2O33%、6%和9%（物质的量分数）的YSZ材料，正如1.2节中讨论的那样，YSZ中的氧空位的浓度是由加入的Y2O3的比例所决定的，而且是一个定值，也就是说Y2O3加入的越多，氧空位的浓度就越高.材料的导电性能和其导电离子的浓度是成正比的，所以YSZ材料的导电性能应该和它晶格中的氧空位的浓度成正比，也就是和添加的Y2O3的比例成正比的，但事实却正好相反.同样的现象也出现在Sc2O3掺杂的ZrO2体系中[43].这说明缺陷和缺陷之间会发生关联，从而形成缺陷组合.式中σi为离子导电率，zi为电荷数，e为电子质量，Ci为离子浓度，μi为离子流动性，K 为玻尔兹曼常数.缺陷组合一般分为捕获式和捆绑式.由式（7）可知，氧化还原反应引起的缺陷氧空位和2个自由电子.当晶格体系处于极端还原的气氛下，会出现如式（9）的反应，氧空位被还原成带一价负电的空位.这个过程也可以看成是氧空位捕获了一个自由电子.因此，实际就是缺陷和缺陷在反应，形成了缺陷组合的一种.另一种缺陷组合是如式（10）所示，为了达到晶格内的电中性，每2 mol的钇离子占据锆离子的点位会带来1 mol的氧空位，但是也存在如式（11）的情况，两种缺陷会捆绑在一起，形成一个捆绑式的缺陷，这样无形中减少了氧空位的单独存在，从而影响了离子导电性能.2ZDC材料中的点缺陷和应用如前文所介绍的那样，ZDC材料中出现的点缺陷主要是由于CeO2材料的两种价态间互相转换，形成氧化还原反应，从而形成了氧空位.这种氧空位产生的数量和氧的非化学定量比以及外界的状态有关.外界的状态通常指的是外界的氧分压和温度的变化.氧空位产生的位置是完全随机的，也就是说其结构熵（ΔS）可以达到最大.因此在一定外界氧分压和温度的状态下，氧空位的非化学定量比以及整个系统的热力学参数的变化就成为众多学者研究的焦点.Chueh等[44]利用纯CeO2的氧化还原的特点，将其应用在两步法分解水产生清洁能源的研究上.高温时（1 300～1 500 ℃）的反应如式（6）所示，CeO2的内部会形成一定的氧空位，并释放出相应数量的O2.在低温时（800～1 000 ℃）通入水（式（12））或者二氧化碳CO2（式（13）），由于CeO2中的氧空位有吸回O2的趋势，最终导致了水和CO2中的氧被夺走，填补了CeO2晶格中的氧空位，并伴随放出H2和一氧化碳CO.H2和CO都是很好的清洁能源.Grigoriev等[45]和Abanades[46]等也对此进行了研究，并得到了相似的结果.Chueh等[47]又进一步利用太阳能中的热来进行类似实验并取得了成功.因此，这项研究工作对未来新能源的研究有着重要意义.然而研究者发现纯CeO2材料在上述的热循环过程中的稳定性不好，晶粒会不断长大，这样会减缓H2和O2的释放.如图3所示，纯CeO2的晶粒在经历热循环后有了明显的长大，说明了这种材料的不稳定性.因此寻找一种更好的材料是目前研究的当务之急.ZDC材料长期以来一直因为它的氧化还原作用而被用作汽车尾气的三效催化剂 [23-24，48-51].在尾气催化剂的应用上ZDC的使用远远多于纯CeO2，主要原因是ZDC有更好的被还原的能力，也就是说在相同的氧分压和温度下，ZDC材料释放O2和储存O2的能力要强于纯CeO2.这是因为锆的原子半径大于铈，锆的加入增加了锆氧间原子的距离，使阳离子对氧离子的束缚减小，导致氧离子更容易逃离晶格，形成氧空位[52].影响ZDC体系点缺陷的因素最主要的是晶体结构和热力学参数.ZDC体系中随着锆的加入，ZDC的晶体结构会发生明显的变化.如图4所示，ZrO2含量在20% （物质的量分数）的时候，材料是立方相的晶体结构，而当ZrO2的含量增加到41%和67%（物质的量分数）时，原来单一的立方相就分解为两相.因此，在选取ZDC材料进行研究的时候，一般ZrO2的添加量最多到20%（物质的量分数）.因为立方相的晶体结构无论在离子导通还是离子扩散方面都有优良的性能.在热力学参数的研究方面，Gong等[52]认为ZDC材料中氧的焓变是和ZrO2的加入量无关的，并且是长程无序，但是短程有序的.然而，氧的熵变和ZrO2的添加量有密切关系的.由于ZDC材料的这些热力学性能以及其在汽车尾气催化剂上的应用，此种材料作为太阳能驱动的两步法分解水的主要材料，从而代替纯CeO2.3ScSZ材料中的点缺陷和应用ScSZ材料中的点缺陷主要是由正3价钪和正4价锆掺杂后引起的电荷补偿所产生的氧空位.如式（5）所示，每2 mol的Sc2O3替代ZrO2就会伴随1 mol的氧空位产生，因此ScSZ材料中的点缺陷浓度是随着Sc2O3材料含量而确定的一个定值.因此，此类材料的点缺陷是很少受外界条件的影响而改变，它只和材料合成时掺杂物的含量有关.正是由于这一特性，ScSZ材料是很好的、稳定的离子导体，被普遍应用于SOFC的电介质材料[53-57].ScSZ作为SOFC的电介质材料的研究主要集中在3个方面：晶体结构的研究、导电性能的研究和晶界上的空间电势的研究.ScSZ的晶体结构大概有4种，其中，单斜、四方和立方是ZrO2材料的3种主要晶体结构，通过不同的Sc2O3的掺杂可以得到这3种结构，或者是某2种结构的混合结构.这些研究结果和YSZ是一致的[58-61].但是ScSZ在Sc2O3的添加超过一定比例后，会出现棱方的结构，这种结构研究者认为是立方结构的分解而得到的[53，55].晶体结构的变化直接影响了材料的离子导电性能，式（8）也被称作Nernst-Einstein方程，其中Di是离子在晶格中的扩散系数，K是玻尔兹曼常数.扩散系数在不同的晶体结构中是不同的，这就是不同ScSZ晶体结构导致离子电导率的巨大差异的本质原因[34].目前的研究认为，立方相的ScSZ晶体结构具有最好的氧离子扩散系数，因此立方相的ScSZ具有最好的离子电导率.研究者也通过添加其他稀土元素来保持ScSZ材料的立方结构，但同时又能保证其氧空位的浓度不变.Weller[40]和Son等[61]添加Y2O3来保持ScSZ中的立方相结构；Yamamoto等[55]研究了将氧化镱（Yb2O3）加入ScSZ材料后的晶体结构的变化和导电性能的变化.Liu等[62]将CeO2添加到ScSZ材料中后，增加了其导电性能.导电性能的研究的前提条件就是ScSZ材料必须是良好的离子导体，而不能有电子导通.Steele等[63]对YSZ材料进行了不同氧分压下的导电性能的测试，如图5所示，10% （物质的量分数）Y2O3含量的YSZ材料中，离子电导率在950 ℃时，在10-28～1025 Pa大气压力的范围内都是常数，也就是说都是离子导通的.所以，YSZ材料是一种非常好的离子导体材料.有了这个前提条件，研究者就可以确保所研究的电性能是百分之百的离子电导率.通常研究电导率的方法是用交流阻抗谱的方法来研究，用这种方法，不仅可以得到材料在一定温度下的电阻和电容还可以将材料的晶体和晶界的电性能区分开.由于交流阻抗谱可以将被测材料的晶体和晶界的导电性能区分，所以就给研究者研究材料的晶界的特性带来极大的方便.晶界的研究一直是材料研究的热点问题，这是因为晶界上往往富集了杂质，并且呈现出完全不同的性能.对于ScSZ而言，在晶界上的电势以及导电机理和晶体内部是完全不同的.Haile等[64]应用砖层结构模型研究氧化物材料的质子导电性能.如图6所示，所谓砖层结构模型就是将被测样品的晶粒和晶界假设为正方型的结构，便于计算每个晶粒的尺寸，而晶界是以平面的状态存在的.经过Haile等[64]的计算和推导，证明电流不会从平行于电流方向的晶界中穿过，因此在计算晶界电阻时，只需要计算垂直于电流方向的晶界电阻即可.通过“砖层结构”模型，研究者就可以将材料的晶界层单独拿出来研究.Haile等[64]对YSZ 材料的晶界做了研究.他们发现，YSZ材料经过烧结后，在晶界上会形成正电势，这样就造成了带正电的氧空位在晶界上被排斥，而且排斥的范围是1/2的晶界厚度.如图7所示，氧空位的浓度会随着与晶粒的距离变大而变小，直到达到1/2晶界厚度的时候达到最小.由于氧空位是YSZ材料中的导电离子的实际载体，所以氧空位浓度减小就会造成晶界上的离子电导率下降，直接导致了材料电导率的下降.4小结主要介绍了稀土掺杂ZrO2材料中的点缺陷（主要是氧空位）的形成原因、特点和相关的理论、机理，并且分析了这些材料在工业上特别是能源领域的应用前景，着重介绍了2种ZDC和ScSZ稀土元素掺杂的ZrO2材料.ZDC的研究重点是温度和氧分压对其氧空位形成的影响，以及由此带来的热力学参数的变化.研究的目的是通过对这些基本原理的研究，使得此种材料可以被应用在太阳能驱动分解水，从而产生清洁能源的问题上.因此，这种材料是非常具有发展前景的新型能源材料，并可能成为我国未来的新能源储备材料.ScSZ的研究重点是Sc2O3的掺杂含量对其氧空位数量的影响，以及氧空位作为离子导通的载体在晶体和晶界上的变化对材料导电性能的作用.研究的目的是使得此种材料可以作为一种潜在的优良固体燃料电池的电介质材料.固体燃料电池是一种有效的新型能源，并且已经在一些领域得到了应用.参考文献：[1]Heuer A H，Hobbs L W.Advances in Ceramics，Science and Technology of Zirconia [M].Columbus：The American Ceramic Society，1981.[2]McCullough J D，Trueblood K N.Magnetism of sputtered Co/Cu multilayers and the annealing effects [J].Acta crystallogram，1959，12（7）：507-509；[3]Smith D K，Newkirk H K.Crystal structure of baddeleyite （monoclinic ZrO2） and its relation to polymorphism of ZrO2 [J].Acta Crystallogram，1965，18：983-991.[4]Howard C 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钇稳定氧化锆球
钇稳定氧化锆球
氧化锆球的稳定性及其重要性：
1. 氧化锆球的稳定性近年来受到了广泛关注，因为它具有独特的性质，如耐高温、耐磨性强、电绝缘性能好等。
2. 钇是氧化锆材料的重要结构元素，它可以增强氧化锆球的耐磨性，
提高结构稳定性，抗高温性能，从而使氧化锆球具有优良的稳定性。
3. 因此，钇对氧化锆球的稳定性至关重要。
氧化锆球是一种新型压电
材料，钇在调节氧化锆球结构以及优化介电结构中起着至关重要的作用。
4. 球形氧化锆材料的稳定性取决于它的化学组成及其结构的稳定性，
它的稳定性受到水热性能和热力学因素的影响，也受到其成份的影响。
5. 氧化锆球不仅具有良好的耐磨性、光响应特性和金属的较低的机械
损伤，而且它有良好的结构稳定性，可以耐受较高的热力学和水热激发。
6. 为了提高氧化锆球的稳定性，必须增加钇含量，使它更具有耐高温性、退火性能、抗冲击性、以及耐压性等功能。
7. 另外，还需要采用正确的添加剂，例如汞、铝、钙、硅、锰等，来改善氧化锆球的结构稳定性。
8. 总之，钇对氧化锆球的稳定性起着至关重要的作用，氧化锆球的成份配比以及添加剂的选择对其结构稳定性也有影响，因此，对氧化锆球进行良好的研究和控制是十分重要的。
固体氧化物燃料电池的电解质
固体氧化物燃料电池的电解质固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）是一种能够将化学能转化为电能的高效燃料电池技术。
其中，电解质是SOFC的关键组成部分，它起着将离子进行传递的作用。
在SOFC中，常见的电解质材料包括氧化锆、氧化钇稀土等。
下面将对这些常用的SOFC电解质材料进行详细介绍。
1. 氧化锆（Zirconia，ZrO2）：氧化锆是目前广泛应用于SOFC电解质的材料之一，其具有优良的离子导电性能和热稳定性。
氧化锆的晶体结构包括单斜晶态和立方晶态。
单斜氧化锆在高温下具有优良的氧离子传导性能，而立方氧化锆则在较低温度下表现良好。
氧化锆的离子传导主要通过氧离子空位或氧离子到达四面体间隙的方式进行。
2. 氧化钇稀土（Yttria-stabilized zirconia, YSZ）：氧化钇稀土是一种常用的SOFC电解质材料，它是在氧化锆晶格中引入少量稀土元素（如钇）而形成的化合物。
氧化钇稀土兼具氧化锆和稀土氧化物的特点，具有优异的电导率和化学稳定性。
氧离子在氧化钇稀土中主要通过氧离子空位和氧离子到达四面体间隙的方式进行传导。
3. 掺杂氧化铈（Doped Ceria）：掺杂氧化铈是另一种常用于SOFC电解质的材料，其以氧化铈为基础，引入另一种或多种离子（如钙、镁等）以改变其性能。
掺杂氧化铈具有高离子传导性、较低的操作温度和良好的化学稳定性。
氧离子在掺杂氧化铈中主要通过氧离子在氧化铈晶格中的欠缺和氧离子到达四面体间隙的方式进行传导。
4. 氧化钍（Thoria，ThO2）：氧化钍是一种相对较新的SOFC电解质材料，其具有较高的热稳定性和较低的阻抗。
氧离子传导在氧化钍中主要通过氧离子空位和氧离子到达四面体间隙的方式进行。
需要注意的是，SOFC电解质材料的选择应考虑其离子导电性能、化学稳定性、热稳定性、机械稳定性以及成本等因素。
此外，还有一些新型电解质材料如钡钛矿氧化物、氧化镍、氧化镨等也被研究用于SOFC中，并取得了一定的研究进展。
牙科着色氧化钇稳定四方多晶氧化锆陶瓷的结构与性能
牙科着色氧化钇稳定四方多晶氧化锆陶瓷的结构与性能华西口腔医学杂志第27卷第5期2009年10月West China Journal of Stomatology Vol．27No.5Oct.2009·基础研究·[收稿日期]2008-11-27；[修回日期]2009-02-27[基金项目]国家自然科学基金资助项目（30700961）[作者简介]伊元夫（1973—），男，辽宁人，副主任医师，博士[通讯作者]伊元夫，Tel ：010-********氧化钇稳定四方多晶氧化锆（Y 2O 3stabilizedtetragonal zirconia polycrystals ，Y-TZP ）陶瓷材料具有优异的机械性能、生物安全性、一定的半透明性[文章编号]1000－1182（2009）05－0473-06牙科着色氧化钇稳定四方多晶氧化锆陶瓷的结构与性能伊元夫1王晨2温宁3林勇钊2田杰谟2（1.武警总医院口腔科，北京100039；2.清华大学新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室，北京100084；3.解放军总医院口腔科，北京100853）[摘要]目的添加不同着色剂组合，配制着色的牙科氧化钇稳定四方多晶氧化锆（3Y-TZP ）陶瓷，分析着色后材料的显微和晶相结构，并测定其理化、机械及抗低温时效性能。
方法将TZ-3Y-S 粉体与一定组分的着色剂球磨混合后，在200MPa 压力下等静压成型，先于1050℃预烧结2h ，然后在1500℃终烧结2h ，烧制5种具有一定颜色的氧化锆材料，测量烧结体的密度、收缩率、热膨胀系数、维氏硬度、三点弯曲强度、断裂韧性和化学稳定性；通过扫描电镜和X 线衍射观察着色后材料的显微和晶相结构，并测试着色对材料抗低温时效性能的影响。
结果着色后3Y-TZP 陶瓷烧结密度在99.7%以上，烧结收缩率约20%，热膨胀系数为11×10-6·℃-1；晶粒大小均匀，主要断裂方式为穿晶断裂，主晶相为四方相氧化锆（t-ZrO 2）；在弱酸性条件下具有较好的化学稳定性；5组着色氧化锆陶瓷的三点弯曲强度较未着色组略有降低，但均在900MPa 以上，断裂韧性略有提高，经低温时效处理后四方相到单斜相（m-ZrO 2）的相变量约40%，但弯曲强度没有降低。
氧化钇稳定氧化锆原理
氧化钇稳定氧化锆原理氧化钇稳定氧化锆，又称YSZ，是一种重要的功能陶瓷材料，具有高熔点、高热导率、化学稳定性好等优异的性能。
它在能源、电子、化工等领域有着广泛的应用，特别是作为固体氧化物燃料电池（SOFC）的电解质材料。
本文将介绍氧化钇稳定氧化锆的原理及其在SOFC中的应用。
氧化钇稳定氧化锆的原理主要涉及到其晶格结构和离子传导性质。
YSZ是一种立方晶系的氧化物，在其晶格中，氧离子占据着八面体的空隙位置，而钇和锆离子则分别占据八面体和四面体的位置。
由于钇离子的半径比锆离子大，因此在YSZ的晶格中，钇离子会引起晶格畸变，从而形成氧离子传导通道。
这种畸变结构使得氧离子在YSZ中具有很高的迁移率，从而表现出优异的离子传导性质。
在固体氧化物燃料电池中，氧化钇稳定氧化锆主要用作电解质材料。
在SOFC工作过程中，燃料气体在阳极处发生氧化反应，释放出电子和氧离子。
其中的氧离子会通过氧化钇稳定氧化锆的离子传导通道迁移至阴极，与来自外部的空气中的氧气发生还原反应，释放出热量。
而电子则会在外部电路中流动，产生电能。
由于氧化钇稳定氧化锆具有高离子传导性能，能够有效地传递氧离子，因此可以大大提高固体氧化物燃料电池的效率和稳定性。
除了在SOFC中的应用，氧化钇稳定氧化锆还被广泛应用于其他领域，如传感器、陶瓷涂层、陶瓷基复合材料等。
由于其优异的热、化学稳定性和离子传导性能，YSZ在这些领域都发挥着重要作用。
总的来说，氧化钇稳定氧化锆作为一种重要的功能陶瓷材料，具有独特的晶格结构和优异的离子传导性质，使其在固体氧化物燃料电池和其他领域有着广泛的应用前景。
随着材料科学和能源技术的不断发展，相信氧化钇稳定氧化锆将会发挥越来越重要的作用，为人类社会的可持续发展做出更大的贡献。
氧化铈增韧氧化锆陶瓷的研究
氧化铈增韧氧化锆陶瓷的研究摘要：本文叙述了氧化锆陶瓷的增韧机制，以氧化铈为稳定剂，论述不同实验中铈掺杂氧化锆的性能研究。
结果表明，氧化铈对四方相氧化锆具有稳定作用。
本文采用不同实验方法，研究了反应温度、氧化铈的含量、PH、烧结工艺等对铈掺杂氧化锆陶瓷粉体的影响，并分析了氧化铈氧化锆陶瓷的力学性能，对铈掺杂氧化锆陶瓷的应用前景作了简要概述。
关键词：氧化铈；氧化锆；增韧机制；稳定作用1 引言近年来，利用稀土氧化物—氧化铈对氧化锆的稳定作用实现对陶瓷材料的研究渐趋活跃。
由于ZrO2具有熔点和沸点高、硬度大，常温下为绝缘体，而高温下为导体等优良性质，固此，从20世纪20年代开始就被用做熔化玻璃和冶炼钢铁等的耐火材料。
随着人们对ZrO2了解的加深，20世纪70年代开始就被用作结构材料和功能材料。
1975年，澳大利亚R.G.Garvie以CaO为稳定剂制得部分稳定的氧化锆陶瓷（Ca—PSZ），并首次利用ZrO2马氏体相变的增韧效应，提高了其韧性和强度，极大的扩展了ZrO2马氏体相变的增韧效应，提高了其韧性和强度，极大的扩展了ZrO2在结构陶瓷领域的研究。
纯ZrO2在不同温度区间具有单斜（Monoclinic ）、四方（Tetragonal ）、立方(Cubic)三种不同晶型，晶型转化式为：当氧化锆从高温冷却到室温要经历c—t—m的同质异构转变，其中t—m的相变过程要产生3-5%的体积膨胀，体积膨胀效应可导致材料的开裂，所以未经稳定的ZrO2韧性极差，在一般情况下是无法使用的。
要实现相变增韧，必须添加一定的稳定剂，而只有离子半径与Zr4+半径相差不超过40%的氧化物才能作为氧化锆的稳定剂。
氧化铈作为氧化锆的稳定剂，有利于在室温保留尽量多的可相变亚稳四方相氧化锆，并能在较宽的成分范围内获得亚稳四方相氧化锆，从而为氧化锆的相变增韧提供优越的条件。
1998年末松下电器公司宣称与大阪大学科学与工业研究所联合开发了一种采用铈做稳定剂的ZrO2-CeO2复合陶瓷，由于热膨胀系数不同，很难制成纳米复合材料。
氧化钇稳定氧化锆原理
氧化钇稳定氧化锆原理氧化钇稳定氧化锆（YSZ）是一种重要的功能陶瓷材料，具有优异的化学稳定性、热稳定性和机械性能，被广泛应用于固体氧化物燃料电池、气体传感器、电解质膜等领域。
其稳定性主要依赖于氧化钇（Y2O3）的添加，下面我们将深入探讨氧化钇稳定氧化锆的原理。
首先，氧化钇的添加可以稳定氧化锆的晶体结构。
纯氧化锆在高温下会发生相变，从立方相转变为四方相，导致晶格体积的变化，从而引起材料的蠕变和热膨胀系数的变化。
而氧化钇的加入可以抑制这种相变，使晶体结构保持稳定，从而提高了材料的热稳定性和机械性能。
其次，氧化钇的添加可以提高氧离子传导性能。
氧化锆本身是一种良好的氧离子导体，而氧化钇的加入可以进一步提高材料的氧离子传导性能，降低氧离子的迁移能垒，促进氧离子在晶格中的传输，从而提高固体氧化物燃料电池的性能。
此外，氧化钇的添加还可以提高氧化锆的化学稳定性。
在高温和极端环境下，氧化锆很容易与一些金属元素发生反应，导致材料的老化和性能下降。
而氧化钇的加入可以形成稳定的固溶体结构，阻碍金属元素的扩散，减少材料与外界环境的反应，提高了材料的化学稳定性。
综上所述，氧化钇稳定氧化锆的原理主要包括稳定晶体结构、提高氧离子传导性能和提高化学稳定性。
通过合理控制氧化钇的添加量和制备工艺，可以有效改善氧化锆的性能，拓展其在能源、传感器等领域的应用。
总的来说，氧化钇稳定氧化锆的原理是一个复杂而又精妙的过程，需要深入的材料学和化学知识来加以理解和掌握。
随着科学技术的不断发展，相信氧化钇稳定氧化锆这一领域将会有更多的突破和创新，为人类社会的发展做出更大的贡献。
氧化钇稳定氧化锆电磁参数
氧化钇稳定氧化锆电磁参数哎，你说这氧化钇稳定氧化锆，听着就挺绕口的吧？但你别急，咱慢慢聊，这里面可有意思了。
那天，我正坐在实验室里，手里摆弄着那些瓶瓶罐罐，心里琢磨着这氧化钇稳定氧化锆（YSZ）的电磁参数到底是个啥玩意儿。
说实话，我这人平时对这些东西不太感冒，但这次不一样，我得好好研究研究，毕竟这可是个热门话题。
YSZ啊，说白了就是氧化钇和氧化锆的混合物，听着挺简单的吧？但你可别小看了它，这东西在高温下（600~1000℃）可是个离子导电的好手，而且它的粒子直径还特别均匀，200~400埃，跟咱们平时见的沙子可不一样。
我拿起一块YSZ烧结体，仔细端详着。
这东西看起来挺普通的，灰不溜秋的，但你可别被它的外表给骗了。
它可是个抗热震性强、耐高温、化学稳定性好的家伙，要是把它跟其他材料（比如Al2O3、SiO2）混在一起，那性能更是不得了，断裂韧性、抗弯强度都能提高不少。
说到电磁参数，我就得提提这YSZ在固体电解质方面的应用了。
你知道吗？固体电解质可是采用含8%摩尔的三氧化二钇（Y2O3）的安定氧化锆（ZrO2）烧结体做的。
这YSZ啊，它的晶体结构还挺有意思的，有三种同素异构体，分别是单斜晶、正方晶和立方晶。
随着温度的变化，它的晶相也会发生变化，就像变魔术一样。
正当我沉浸在YSZ的晶体结构中时，我的同事小李走了过来，他拍了拍我的肩膀，说：“老刘啊，你这研究得挺投入啊，不过你知道这YSZ的电磁参数到底是多少吗？”我一愣，心想：“这我还真不知道呢。
”于是我赶紧查了查资料，发现这YSZ的电磁参数还真挺复杂的，跟它的晶相、温度、掺杂量都有关系。
不过好在，经过一番努力，我还是大概了解了它的基本情况。
小李听了我的解释，点了点头，说：“原来如此啊，看来这东西还真不简单呢。
”我笑了笑，说：“是啊，这东西虽然复杂，但要是掌握了它的规律，也就不难了。
就像咱们平时写文章一样，虽然有时候觉得挺难的，但只要多写多练，也就能写出好文章来了。
钇稳定氧化锆瓷块 玻璃化转变温度
钇稳定氧化锆瓷块玻璃化转变温度钇稳定氧化锆瓷块在材料科学领域中是一个十分重要的研究领域。
这种材料具有良好的高温稳定性和优异的机械性能，使其在各种工业应用中得到广泛应用。
其中，玻璃化转变温度是评估该材料热稳定性的一个关键参数。
本文将从深度和广度两个方面对钇稳定氧化锆瓷块的玻璃化转变温度进行全面评估，并探讨其在材料科学中的重要性。
一、什么是钇稳定氧化锆瓷块？钇稳定氧化锆瓷块是一种由氧化锆和钇氧化物组成的陶瓷材料。
由于氧化锆晶格中部分锆原子被钇原子取代，从而稳定了晶体结构，增强了材料的热稳定性和力学性能。
钇稳定氧化锆瓷块具有低热膨胀系数、高熔点、高硬度和优异的力学性能等特点，因此被广泛应用于领域。
二、玻璃化转变温度的定义和意义玻璃化转变温度是指固体的玻璃态和非晶态之间的转变温度。
在过渡温度以下，材料表现出非晶态的特征，失去了晶体的有序结构，成为一种常见的无定型态。
玻璃化转变温度可以影响钇稳定氧化锆瓷块的热稳定性和力学性能，因此对于研究和应用具有重要意义。
三、钇稳定氧化锆瓷块的玻璃化转变温度影响因素1. 化学成分：钇稳定氧化锆瓷块的化学成分是影响其玻璃化转变温度的重要因素。
不同化学成分的相对含量会产生不同的晶体结构和性质。
增加钇的含量可以提高材料的玻璃化转变温度。
2. 烧结温度：烧结温度是指将原料粉末在一定温度和压力的条件下进行热处理，使其结晶成块状。
烧结温度的高低对钇稳定氧化锆瓷块的晶体结构和性能有着重要影响，从而影响玻璃化转变温度。
3. 添加剂：添加适量的稀土元素、陶瓷助剂等可以在钇稳定氧化锆瓷块中形成细小晶界和高密度结构，从而提高材料的玻璃化转变温度。
四、钇稳定氧化锆瓷块的应用领域钇稳定氧化锆瓷块由于其独特的性质，被广泛应用于各种工业领域，如航空航天、电力、冶金等。
具体应用包括：1.热隔离材料：由于钇稳定氧化锆瓷块具有低热膨胀系数和高温稳定性，可用作热隔离材料，用于制造高温炉具的隔热层。
2.高温结构材料：由于钇稳定氧化锆瓷块具有高硬度和优异的力学性能，可用于制造高温结构材料，如燃烧室、陶瓷刀具等。
氧化钇稳定氧化锆涂层的研究现状
第47卷第13期2019年7月广 州 化 工Guangzhou Chemical IndustryVol.47No.13Jul.2019氧化钇稳定氧化锆涂层的研究现状彭春玉(国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心,广东 广州 511356)摘 要:由于氧化钇稳定氧化锆(YSZ)陶瓷材料在作为热障涂层的使用过程中存在因抗烧结性能差㊁应力裂纹㊁涂层脱落等导致涂层失效的问题,本文主要从热障涂层的制备工艺,抗烧结性能㊁控制TGO 的生长㊁抗CMAS 腐蚀及YSZ 面层应变容限等方面的改善方法进行论述,通过提高涂层纯度㊁改变粘接层及涂层成分㊁涂层结构及制备柱状结构YSZ 陶瓷面层释放热失配应力等可有效改善涂层在使用过程中的失效问题㊂关键词:氧化钇稳定氧化锆;热障涂层;等离子喷涂;电子束物理气相沉积;失效机理 中图分类号:O343.6 文献标志码:A文章编号:1001-9677(2019)13-0044-03作者简介:彭春玉(1980-),女,助理研究员,主要从事表面镀覆领域的发明专利实质审查工作㊂Research Progress on Failure Mechanism of Thermal Barrier CoatingPENG Chun -yu(Patent Examination Cooperation Guangdong Center of the Patent Office,CNIPA,Guangdong Guangzhou 511356,China)Abstract :Due to poor sintering resistance,stress crack,coating shedding and other problems that lead to coating failure in the application of Yttria -stabilized zirconia (YSZ )ceramic materials as thermal barrier coatings,the improvement method of thermal barrier coatings was mainly discussed in terms of sintering resistance,TGO growth control,CMAS corrosion resistance and YSZ surface layer tolerance,which can effectively improve coating failure in application by improving coating purity,changing adhesive layer and coating composition,coating structure and preparing columnar YSZ ceramic surface to release thermal mismatch stress.Key words :Yttria-stabilized zirconia;thermal barrier coating;plasma spray;EB-PVD;failure mechanism热障涂层(thermal barrier coatings,简称TBCs)可以降低金属基底的温度,提高油料的燃烧温度和燃烧效率,而且还可以防止金属基底的高温腐蚀,应用于金属表面,如涡轮叶片和航空发动机㊂TBCs 的功能是为流经前述叶片的热铸件提供隔热㊂氧化钇稳定氧化锆(YSZ)陶瓷材料由于具有高热膨胀系数㊁低热导率及良好的抗氧化性和稳定性等优异性能,已经被广泛应用于制备热障涂层,热障涂层对于进一步提高合金材料的使用温度发挥着重要的作用,可以提高使用温度70~150℃[1]㊂YSZ 具有低的热导率和相对较高的热膨胀系数,但是它在使用过程中存在如下问题[2-7]:(1)抗烧结性能差;(2)热生长氧化物(TGO)内部应力诱发裂纹导致涂层脱落;(3)高温作用下形成一种玻璃态沉积物CMAS 与YSZ 中的Y 2O 3反应,在热化学与热机械的相互作用下,导致YSZ 涂层内部产生裂纹;(4)热膨胀系数存在的差异导致YSZ 面层脱落㊂为了改善YSZ 涂层性能,人们对影响YSZ 涂层服役寿命的常见问题及改善需求㊁改善方法进行了大量的探索和研究㊂1 氧化钇稳定氧化锆涂层的制备氧化钇稳定氧化锆涂层的制备可以通过多种方法实现:如高速火焰喷涂㊁爆炸喷涂㊁磁控溅射㊁离子镀㊁电弧蒸镀㊁激光熔覆㊁化学气相沉积㊁离子束辅助沉积㊁等离子喷涂和电子束物理气相沉积等,但是从热障涂层技术的发展及应用来看,涂层的制备技术以等离子喷涂和电子束物理气相沉积[8-12]为主㊂1.1 等离子喷涂等离子喷涂法是一种最突出和最广泛使用的涂层技术,用于涂覆顶涂层和粘结涂层㊂在该方法中,在阴极附近通过的等离子体气体在到达阳极喷嘴时被加热至等离子体温度,在该等离子体温度下,等离子体气体与载有原料粉末的载气混合,并且熔融粉末颗粒的混合物被制成高速撞击基底,以形成所需的涂层[13]㊂用于氧化钇稳定氧化锆涂层制备的等离子喷涂包括大气等离子喷涂(APS)㊁高能等离子喷涂(HEPS)和低压等离子喷涂(LPPS)㊂等离子喷涂的工艺特点是操作简单,加热温度高,对涂层材料的要求宽松,沉积率高,制备成本低㊂等离子喷涂制第47卷第13期彭春玉:氧化钇稳定氧化锆涂层的研究现状45备的YSZ热障涂层在航空发动机加力燃烧室火焰筒㊁鱼磷板㊁涡轮导向叶片㊁导弹上以及航天领域等均有应用㊂1.2 电子束物理气相沉积电子束物理气相沉积技术是电子束与物理气相沉积技术相互渗透而发展起来的先进表面处理技术㊂它是以电子束作为热源的一种蒸镀方法,其蒸发速率较高,几乎可以蒸发所有物质,而且涂层与工件的结合力非常好㊂EB-PVD比APS的TBCs 抗磨损性能高两倍㊂电子束物理气相沉积涂层应用于涡轮叶片,以提高其耐久性和有效性㊂与APS涂层相比,其沉积速率较低,涂层的热导率高,当涂层材料成分复杂时,材料的成分控制较困难㊂高能电子束设备及大尺寸真空运行成本较高,原材料利用率较低,目前只用于军用燃气涡轮发动机转子叶片等服役环境特别恶劣的部位㊂2 氧化钇稳定氧化锆涂层的研究现状热障涂层的失效主要原因是热循环过程中应力的产生,应力的产生包括了:金属粘结层氧化物的热生长应力㊁相变应力㊁温度梯度分布引起的热应力㊁热膨胀不匹配引起的热应力等㊂关于热障涂层的失效,科研人员针对不同制备工艺㊁不同基底及涂层结构做了大量的研究[14-18],在研究失效机制的同时也有大量的研究关于热障涂层在服役过程中存在的问题的改善方法㊂(1)改善抗烧结性能通过提高陶瓷涂层纯度,减少YSZ涂层中Al2O3杂质的含量,可以显著降低涂层的烧结速率,平面收缩倾向减小,从而降低导热系数的增加速率,涂层表现出一定的抗烧结性㊂李宇杰等[19]用HVOF喷涂NiCoCrAlY合金粘结层,APS喷涂YSZ陶瓷面层,制备了Al2O3含量为0.01wt%~0.64wt%的YSZ涂层㊂比较了不同Al2O3含量的YSZ涂层在1100℃下的热震性能和抗烧结性能,并探讨Al2O3对涂层的影响机理㊂结果表明相较于高纯YSZ涂层,随着涂层中Al2O3含量升高,涂层的抗热震性能降低,且Al2O3促进YSZ涂层的烧结㊂Al2O3含量在小于0.01wt%~0.12wt%区间内时,对涂层抗热震和抗烧结性能有显著影响,含量继续增加至0.64%时,对性能影响减缓㊂显微组织观察与EDS检测结果表明涂层中Al2O3并未在熔融颗粒界面处偏聚,但在颗粒内部有局部偏析㊂由此推测,含Al2O3的YSZ涂层热震失效的原因可能是Al2O3在YSZ颗粒内部偏析,并影响涂层的烧结性能,导致裂纹容易萌生和扩展㊂另一种方法是在涂层中添加特殊化学元素,例如在YSZ涂层中适量掺杂CeO2㊁La2O3能够有效提升涂层的抗烧结性能,苏正夫等[20]采用化学共沉淀煅烧法制备不同LaO掺杂量的LaO-YO-ZrO(YSZ)复合陶瓷粉末,研究该复合陶瓷粉末的高温相稳定性㊁抗烧结性及热物理性能,结果表明:YSZ和不同LaO掺杂量的LaO-YSZ均由单一的非平衡四方相ZrO(t’-ZrO)组成㊂经1400℃热处理100h后,YSZ中t’-ZrO完全转变为立方相ZrO(c-ZrO)和单斜相ZrO(m-ZrO),在0.4mol%~ 1.4mol%LaO掺杂范围内,LaO-YSZ的相稳定性均优于YSZ,其中1.0mol%LaO掺杂的YSZ(1.0mol%LaO-YSZ)经热处理后无m-ZrO生成,表现出良好的高温相稳定性㊂此外,1.0mol% LaO-YSZ较YSZ具有较高的抗烧结性和较低的热导率㊂(2)控制TGO的生长航空发动机在高温服役过程中,粘接层Al,Cr,Ni等金属元素接触氧气发生选择性氧化,会在粘接层(BC)和顶层陶瓷层(TC)表面形成一层热生长氧化物(TGO),进而造成涂层局部膨胀并对TC产生张力,当张力超过了TC的结合力时就会引起裂纹扩展,直至表面涂层的剥落㊂Muñoz Saldaña J等[21]研究了Hf或Zr掺杂粘接层NiAlCr/ 7YSZ电子束物理气相沉积TBC涂层系统的热稳定性㊂通过改变粘接层的化学成分,在粘结层中掺杂活性元素如Hf和Zr,在这些元素的偏析聚集作用下,降低Al2O3的增长速度,抑制TGO生长㊂采用冷喷涂(CS)㊁超音速火焰喷涂(HVOF)等工艺或预先沉积一层富Al的PVD 薄夹层”,改善涂层结构,降低氧气扩散系数,也可减缓TGO的生长速度㊂(3)改善抗CMAS腐蚀性能发动机叶片上CMAS的形成不仅会造成钇的损耗引起ZrO2熔融相变产生不稳定相,CMAS的沉积还会引起涂层应力增大,加速涂层剥蚀,大大降低热障涂层的服役寿命㊂研究发现从以下几方面可改善涂层抗CMAS腐蚀性能:改变涂层化学成分,楼思余等[22]在YSZ中添加Al2O3的添加可以有效地阻碍CMAS的渗入,从而抑制CMAS的向涂层内部侵蚀,降低界面层的浸润性能,增强涂层抗CMAS性能㊂改变涂层结构,郭洪波等[23]通过设计:热障涂层由MCrAlY粘结底层㊁YSZ陶瓷面层和贵金属Pt面层组成,其中M为Ni和/或Co㊂采用该发明所述新型热障涂层,可以阻止熔融CMAS的渗入,有效防止CMAS的腐蚀,提高热障涂层的可靠性和服役寿命㊂(4)改善YSZ面层应变容限采用EB-PVD技术㊁等离子物理气相沉积技术(PS-PVD)㊁悬浮液等离子喷涂技术(SPS)等可制备 柱状”结构的YSZ陶瓷面层,通过柱间纵向开裂释放陶瓷面层/TGO界面上的热失配应力,使热障涂层可以承受更高的失配应变,从而提高YSZ 陶瓷层应变容限,延长涂层热循环寿命㊂这种方法工艺简单,成本低,但是纵向裂纹是通过表面集中加热的方式产生的,密度不高且形态无法控制,因此涂层的循环寿命不稳定,使得涂层在应用上受到很大的限制㊂Florence[24]和Émilie Courtin[25]等利用溶胶-凝胶(Sol-Gel)方法在金属粘接底层上沉积YSZ层,通过高温热处理使其发生龟裂,再通过APS技术填充裂纹,强化原有结构,形成了一种具有网状分区结构的YSZ陶瓷面层㊂研究结果表明,这种具有纵向分区结构的热障涂层可以达到与EB-PVD热障涂层相近的热循环寿命㊂3 结 语氧化钇稳定氧化锆涂层因其高热膨胀系数㊁低热导率及良好的抗氧化性和稳定性等优异性能而成为航空航天用热障涂层的优良材料㊂氧化钇稳定氧化锆涂层最常用的制备工艺为电子束物理蒸发沉积和大气等离子喷涂技术㊂在服役过程中,涂层易受燃气热流的冲刷和腐蚀,且燃气通过表面孔隙进入涂层内部破坏涂层结构甚至导致涂层的剥离,通过对其失效的分析及改善研究为未来的热障涂层的性能提高与保障提供理论依据及技术支撑㊂46 广 州 化 工2019年7月参考文献[1] Schulz U Leyensa C,Fritscher K.Some recent trends in research andtechnology of advanced thermal barrier coatings[J].Aerospace Science and Technology,2003,7:73-80.[2] JOHHARI A D,R AHMAN M M.A Review of Advance ThermalBarrier Coating Architecture//The3rd National Graduate Conference (Nat Grad2015)[C].Malaysia:Universiti Tenaga Nasional,Putrajaya Campus,2015.[3] XU Z H,HE L M,MUR D,et al.Hot Corrosion Behavior of RareEarth Zirconates and Yttria Partially Stabilized Zirconia Thermal Barrier 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氧化锆热膨胀系数
氧化锆热膨胀系数氧化锆热膨胀系数是指氧化锆在温度变化时，长度或体积的变化率。
热膨胀系数是材料学中重要的物理量之一，它对于材料的热稳定性和热应力有着重要的影响。
本文将从以下几个方面介绍氧化锆热膨胀系数。
一、氧化锆的基本性质氧化锆是一种白色晶体，具有高硬度、高抗腐蚀性和高耐磨性等特点。
它是一种重要的工业材料，在航空航天、核能、医疗器械等领域得到广泛应用。
氧化锆具有良好的机械性能和耐高温性能，在高温环境下仍能保持稳定。
二、氧化锆热膨胀系数的定义在温度变化时，物体长度或体积会发生变化，这种现象称为热膨胀。
而材料的热膨胀系数就是指在单位温度变化下，材料长度或体积相应发生变化的比例关系。
通常用线膨胀系数表示长度的变化，用体膨胀系数表示体积的变化。
三、氧化锆热膨胀系数的测量方法测量氧化锆热膨胀系数的方法有很多种，比较常用的是热膨胀仪法。
该方法是通过对样品进行加热和冷却，测量样品长度或体积随温度变化的关系，从而得到材料的热膨胀系数。
此外，还可以采用光学干涉法、激光干涉法等方法进行测量。
四、氧化锆热膨胀系数与温度的关系氧化锆在不同温度下具有不同的热膨胀系数。
一般来说，随着温度升高，氧化锆的热膨胀系数也会增大。
在常温下，氧化锆线膨胀系数约为6.5×10-6/℃，体积膨胀系数约为9.6×10-6/℃；在高温下（1000℃以上），其线膨胀系数可达到20×10-6/℃以上。
五、影响氧化锆热膨胀系数的因素氧化锆热膨胀系数受到多种因素的影响，如温度、晶体结构、杂质含量等。
其中，晶体结构是影响氧化锆热膨胀系数的重要因素之一。
氧化锆具有两种晶体结构：单斜晶系和立方晶系。
在不同结构下，其热膨胀系数也会发生变化。
六、应用领域氧化锆热膨胀系数对于材料的热稳定性和热应力有着重要的影响，因此在高温环境下使用的材料中得到广泛应用。
例如，在核电站中使用的核燃料棒外壳就是采用氧化锆陶瓷制成的，具有高强度、高耐腐蚀性和良好的耐高温性能。
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分 别放 在 １２０ １３０ １ ５ Ｃ的高温 电炉 中烧结 ３ｈ ５ 、 ５ 、 ４ ０ｏ 。采用 Ｘ射线衍 射（ Ｒ 和扫描 电镜 （ Ｅ 分 析其微 观结 Ｘ Ｄ） Ｓ Ｍ） 构， 利用热膨胀 仪 检 测 其 热 膨 胀 系数 。研 究 表 明 ： ｅ Ｙ 嘶ｚ０ （ ． ８≤ ≤０ １ ） 热 膨 胀 系 数 高 于 ｃ ０ ｒ 一Ｏ ００ ．６ 的 Ｙ 嘶Ｚｏ Ｏ ， 。 ｒ 舛 原因是二氧化铈的掺杂增大 了 Ｙ Ｚ０ 的 晶格常数 ， 效地削弱 了材料的化学键 。 。 ｒ Ｏ 有
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第４ ３卷 第 ３期
２ １ 年 ３月 ０１
无 机 盐 工 业
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氧化 铈 掺 杂 氧化 钇 稳 定 氧 化 锆 的热膨 胀 特 性 术
赵 文广 ， 王泽 斐 ， 慧凤 ， 张 安胜利
（ 内蒙古科技 大学材料 与冶金学 院 ， 内蒙古包头 ０４ １ ） １００
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关键 词 ： ｅＹ Ｚｏ 一Ｏ 。 共 沉 淀 ； 观 结 构 ； 膨 胀 性 能 Ｃ 。 ｒ ； 微 热 中 图分 类 号 ：Ｑ ７ ．５ Ｔ １４ ７ 文 献 标 识 码 ： Ａ 文 章 编 号 ：０ ６— ９０ ２ １ ）３— ０ １一 ３ １０ ４ ９ （ ０ １ Ｏ ０２ Ｏ
ｉｇ， ｅ ｒ ａ ｔ ｇ ｔｍｐ ｒ ｔ ｒｓ ｗ ｒ ｅ ｅ ｉ ｅ ｃ ｏ ｄ ｎ ｏ ｈ ａ ｈ ｎ ａ ｅ ｃ ｒ ｅ ｏ ｅ ｓ ｍｐ ｅ Ｓ ｍｐ ｅ ｅ ｅ ｒ ｓ ｅ ｔ ｅｙ ｎ ｔ ｏ ｓ ｎ ｅ ｅ ａｕ ｅ ｅ ｅ ｄ ｔ ｒ ｎ ｄ ａ ｃ ｒ ｉ ｇ ｔ ｅ ｔ ｓ ｒ ｋ ｇ ｕ ｖ ｆｔ ａ ｌ ． ａ ｌｓ ｗ ｒ ｅ ｐ ｃｉ ｌ ｈ ｉ ｍ ｉ ｈ ｖ
摘 要 ： 研究 了在 Ｙ Ｚ０ ０ 中 掺杂 二 氧 化 铈 （ ｅ 对 其 热 膨 胀 系 数 的 影 响。使 用 共 沉 淀 法 合 成 ０ ｒ 。 ＣＯ ）
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