热障涂层

(La0.5Sm0.2Nd0.3)2Al1-x La x TaO7热障涂层陶瓷材料合成
摘要采用固相反应法制备了(La0.5Sm0.2Nd0.3)2Al1-x La x TaO7这个系列陶瓷材料。

采用X-射线衍射技术（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和电子能谱技术（EDS）分析了材料的相组成、显微组织及元素组成，并用激光脉冲法测试了其热扩散系数。

结果表明，陶瓷材料具有纯净的萤石结构(La0.5Sm0.2Nd0.3)2Al1-x La x TaO7，其结构致密，晶界清晰，各元素摩尔比与化学式基本一致，具有较低的热导率。

关键词：固相反应；陶瓷材料；热物理性能；
1 引言
随着世界各国科研能力和国防技术的发展，热障涂层已经广泛应用于航空航天领域、燃气涡轮发动机以及其他一些工作于高温环境的零部件上，可以显著地提高这类零部件的综合性能，延长它们的使用寿命[1]。

热障涂层主要是由两个部分组成：一
是具有耐高温、低热导率等一系列优点的绝热陶瓷层；二是能够承受一定机械载荷且
具有一定抗氧化性的合金粘结层。

绝热陶瓷层材料必须具有高熔点、低的烧结率、低
的弹性模量、抗热冲击、较低的热导率、较高的热膨胀系数、抗高温氧化以及抗高温
腐蚀等诸多特点，才能提高其工作温度，延长其工作寿命[2,3]。

稀土氧化物陶瓷材料
具有一系列优越的热物理性质，目前各国对稀土氧化物陶瓷材料的研究已经成为热障
涂层领域的一大热点问题。

绝热陶瓷层材料沉积在合金粘结层的表面上，由于陶瓷层良好的隔热作用，所以
可明显降低基底温度[3]。

因为热障涂层陶瓷层材料能够有效地保护合金粘结层，所以
使粘结层免受高温氧化。

除此之外，热障涂层技术在航空航天、金属冶炼、火力发电、化工等诸多领域都将展开更加深入的研究与试验[4,5]。

在热障涂层领域，(La0.5Sm0.2Nd0.3)2Al1-x La x TaO7热障涂层陶瓷材料是一种新型的
热障涂层材料。

通过在Journal of the European Ceramic Society和Journal of Alloys and Compounds等[6,7]一些中外期刊上查阅相关文献，发现通过固相反应法来制备的这种
材料具有较好的高温相稳定性、较低的热导率和较高的热膨胀系数。

因此这次研究采用固相反应法来制备(La0.5Sm0.2Nd0.3)2Al1-x La x TaO7热障涂层陶瓷材料。

2 材料和试验方法
2.1材料的制备
这次研究以高纯度的Sm 2O 3、Ta 2O 5、La 2O 3、Nd 2O 3以及Al 2O 3等稀土氧化物粉末为原料，对各种原材料粉末分别加热到800℃并保温两个小时进行干燥处理。

通过粉末压片机制备出圆片状和长条状(La 0.5Sm 0.2Nd 0.3)2Al 1-x La x TaO 7 (x=0.1、0.2、0.3、0.4)系列的热障涂层陶瓷材料。

将样品放入已经清理干净的箱式高温烧结炉中（为了避免样品粘到氧化铝承烧板上，需在样品下面铺垫一层氧化锆粉末），进行固相反应。

本研究将样品加热到1400℃，在该温度下固相反应10小时。

这样烧结2次，然后再将样品加热到1600℃，在1600℃下固相反应10小时，对合成的样品做XRD 测试，然后根据测试分析结果适时调整反应时间，补烧样品。

合成(La 0.5Sm 0.2Nd 0.3)2Al 1-x La x TaO 7材料的固相反应方程式（当x=0.1时）如式（1）所示。

（0.5+0.5x ）La 2O 3 + 0.2Sm 2O 3 + 0.3Nd 2O 3 +( 0.5-0.5x)Al 2O 3 +0.5Ta 2O 5
=(La 0.5Sm 0.2Nd 0.3)2Al 1-x La x TaO 7 （1） 材料制备流程图如下：
图1 材料制备流程图
3 实验结果与讨论
3.1 材料的相组成及显微形貌
3.1.1 相组成
本文根据已知稀土元素的离子半径与离子半径比计算了这个系列陶瓷材料的离子半径比和晶格常数，计算结果分别见表1和表2。

由于当元素的离子半径比小于1.46时属于萤石结构，在1.46到1.78之间时属于焦绿石结构，大于1.78时属于单斜相焦绿石结构，而得到的离子半径比均大于1.78，故属于单斜相焦绿石结构。

表1 (La 0.5Sm 0.2Nd 0.3)2Al 1-x La x TaO 7陶瓷材料的离子半径比和晶体结构
计算量配比 称量
研磨
压制样品 多次烧结 表面处理 分析测试 配品方程式 表征
陶瓷材料离子半径比（nm）晶体结构(La0.5Sm0.2Nd0.3)2Al0.9La0.1TaO7 3.7774 单斜相焦绿石
(La0.5Sm0.2Nd0.3)2Al0.8La0.2TaO7 3.4197 单斜相焦绿石
(La0.5Sm0.2Nd0.3)2Al0.7La0.3TaO7 3.1239 单斜相焦绿石
(La0.5Sm0.2Nd0.3)2Al0.6La0.4TaO7 2.8752 单斜相焦绿石
表2 (La0.5Sm0.2Nd0.3)2Al1-x La x TaO7陶瓷材料的晶格常数
陶瓷材料晶格常数（nm）
(La0.5Sm0.2Nd0.3)2Al0.9La0.1TaO7 1.1712
(La0.5Sm0.2Nd0.3)2Al0.8La0.2TaO7 1.1856
(La0.5Sm0.2Nd0.3)2Al0.7La0.3TaO7 1.2001
(La0.5Sm0.2Nd0.3)2Al0.6La0.4TaO7 1.2145
为了更加直观地反应(La0.5Sm0.2Nd0.3)2Al1-x La x TaO7陶瓷材料(x=0.1、0.2、0.3、0.4)的晶格常数随La元素掺杂量增加而变化的趋势，将此系列陶瓷材料的晶格常数做成图像如图2所示，由图可知，(La0.5Sm0.2Nd0.3)2Al1-x La x TaO7陶瓷材料(x=0.1、0.2、0.3、0.4)的晶格常数随La元素掺杂量增加而增加。

图2 (La0.5Sm0.2Nd0.3)2Al1-x La x TaO7陶瓷材料的晶格常数
3.1.2显微形貌
表3 (La 0.5Sm 0.2Nd 0.3)2Al 1-x La x TaO 7陶瓷材料的致密度
材料名称 实际密度
（g/cm 3）
理论密度（g/cm 3） 致密度（%） (La 0.5Sm 0.2Nd 0.3)2Al 0.9La 0.1TaO 7 6.002061
6.376518 94.1 (La 0.5Sm 0.2Nd 0.3)2Al 0.8La 0.2TaO 7 6.138402
6.258552 98.1 (La 0.5Sm 0.2Nd 0.3)2Al 0.7La 0.3TaO 7 6.077973
6.141991 98.9 (La 0.5Sm 0.2Nd 0.3)2Al 0.6La 0.4TaO 7
5.824314
6.02988 96.6
图3 (La 0.5Sm 0.2Nd 0.3)2Al 1-x La x TaO 7样品的显微组织
(a) (La 0.5Sm 0.2Nd 0.3)2Al 0.9La 0.1TaO 7 (b) (La 0.5Sm 0.2Nd 0.3)2Al 0.8La 0.2TaO 7
(c) (La 0.5Sm 0.2Nd 0.3)2Al 0.7La 0.3TaO 7 (d) (La 0.5Sm 0.2Nd 0.3)2Al 0.6La 0.4TaO 7
图3是(La 0.5Sm 0.2Nd 0.3)2Al 1-x La x TaO 7样品的显微图像。

从图中可以看出，所合成的这个系列陶瓷材料具有致密的组织结构，其致密度都大于90%，计算得到的实际密度，理论密度及致密度如表3所示。

由图还可看出，(La 0.5Sm 0.2Nd 0.3)2Al 0.9La 0.1TaO 7(c) (d) (b)
(a)
样品的晶粒间的晶界清晰，其它几种样品得到的图片的晶粒间的晶界不清晰，但无其它杂相或未反应物。

从各图中也可以看出其晶粒大小不均匀，这种现象是由原材料的粉末颗粒大小不均匀造成的。

晶粒存在沿晶裂纹和穿晶裂纹，可能是在将片状样品摔烂取一小块的过程中产生了裂纹。

3.1.3 元素组成
表4 (La0.5Sm0.2Nd0.3)2Al1-x La x TaO7陶瓷材料的原子百分比
元素
陶瓷材料
La Sm Nd Al Ta O (La0.5Sm0.2Nd0.3)2Al0.9La0.1TaO79.20 3.42 6.25 4.26 9.83 67.04
(La0.5Sm0.2Nd0.3)2Al0.8La0.2TaO710.50 3.80 6.20 4.13 8.03 67.34
(La0.5Sm0.2Nd0.3)2Al0.7La0.3TaO712.60 3.84 4.87 3.93 10.25 64.51
(La0.5Sm0.2Nd0.3)2Al0.6La0.4TaO713.04 3.45 5.73 3.61 8.42 65.75
(a) (b)
(c) (d)
图4 (La0.5Sm0.2Nd0.3)2Al1-x La x TaO7陶瓷样品的X-射线能谱图
(a) (La0.5Sm0.2Nd0.3)2Al0.9La0.1TaO7 (b) (La0.5Sm0.2Nd0.3)2Al0.8La0.2TaO7
(c) (La0.5Sm0.2Nd0.3)2Al0.7La0.3TaO7 (d) (La0.5Sm0.2Nd0.3)2Al0.6La0.4TaO7
采用EDS对样品进行了分析，图4是(La0.5Sm0.2Nd0.3)2Al1-x La x TaO7陶瓷样品的X-射线能谱图，由图可知，材料只包含La、Sm、Nd、Al、Ta、O 6种元素，说明实验过程中没有引入其它杂质。

其元素组成结果列于表4中。

由表可知，La元素的原子百分比随x的增加而增加，而Al元素的原子百分比随x的增加而减少，所制备的该系列陶瓷材料中元素含量的原子比基本符合化学式，这说明在烧结过程中基本上没有元素损失现象。

3.2 材料的热物理性能
3.2.1 热扩散系数
图5表示(La0.5Sm0.2Nd0.3)2Al1-x La x TaO7在各温度点（从20℃到1200℃）测得的热扩散系数λ。

从图中可以看出各被测样品材料在20℃时，其热扩散系数都取得最大值，在20℃到500℃之间，热扩散系数随着温度的升高而递减，在此温度范围内热扩散系数λ与温度的倒数T-1成正比关系。

这表明在此温度范围内，声子-声子之间的散射对(La0.5Sm0.2Nd0.3)2Al1-x La x TaO7的热扩散系数影响比较大，此规律与大多数多晶陶瓷材料的热扩散系数的变化规律相一致。

当温度超过700℃以后，热扩散系数随温度升高而增加，这是光子导热引起的。

图5 (La0.5Sm0.2Nd0.3)2Al1-x La x TaO7的热扩散系数随温度变化曲线
3.2.2热导率
图6是(La0.5Sm0.2Nd0.3)2Al1-x La x TaO7材料的热导率。

由图可知材料热导率随温度
变化趋势与热扩散系数随温度变化趋势一致，表明其热导率主要受晶格热导率的影响。

4种材料相对比于其它类别的陶瓷材料，具有明显较低的热导率，该类块体在整个测量范围内的热导率在0.65-1.28W/m.K之间。

图6 (La0.5Sm0.2Nd0.3)2Al1-x La x TaO7材料的热导率
4 结论
本文采用固相反应法,成功制备出(La0.5Sm0.2Nd0.3)2Al1-x La x TaO7（x= 0.1、0.2、0.3、0.4）系列新型陶瓷材料。

（1）XRD结果表明，(La0.5Sm0.2Nd0.3)2Al1-x La x TaO7系列材料的X-射线衍射图十分相似，在36.9°与44.5°附近无其它衍射峰存在，因此都具有单斜相焦绿石结构；（2）扫描电镜结果表明，其晶粒边界非常清晰，没有其它杂相，但晶粒大小不均匀；（3）(La0.5Sm0.2Nd0.3)2Al1-x La x TaO7陶瓷材料的热导率随温度升高而逐渐减小。

1200℃时，其热导率分布在1.39-1.62W/m.K 和0.9-1.7W/m.K的范围内，明显低于7YSZ；（4）(La0.5Sm0.2Nd0.3)2Al1-x La x TaO7系列陶瓷材料具有较低的热导率，热物理性能好，可用于热障涂层。

参考文献
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