中国粉体网讯  热障涂层(thermal barrier coating, TBC)技术已被广泛应用于航空发动机高温合金热端部件的热保护中，其中表面涂覆热导率低的陶瓷材料可确保热端部件在高温环境中长期服役。但热障涂层不仅要达到低热导率的要求，还必须具备优异的综合性能，如合适的热膨胀系数以实现与金属基体的热膨胀相匹配，出色的高温相稳定性，优异的耐高温熔融钙镁铝硅酸盐(CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂,CMAS)腐蚀性能和综合力学性能。

随着航空发动机服役标准的提高，其进气温度也大幅升高，传统的氧化钇稳定氧化锆(yttria-stabilized zirconia, YSZ)作为最外层TBC材料时会过早失效。为了延长航空发动机的服役寿命，开发新一代具有较好的热物理性能及力学性能、优异的高温稳定性及抗高温腐蚀性能的热障涂层材料成为推动航空技术发展的关键课题之一。

现阶段，已有研究人员开发出一些新型热障涂层材料，例如，稀土锆酸盐、稀土钽酸盐、稀土铌酸盐、稀土铪酸盐、稀土铈酸盐和稀土磷酸盐等。其中，稀土铪酸盐具有低热导、高熔点、优异的高温相稳定性和良好的抗环境腐蚀性能等优点，在新一代航空发动机热端部件用热/环境障涂层材料中展现出广阔的应用前景。

近日，天津大学叶福兴团队在《Advanced Energy Materials》上发了一篇论文，该研究采用超快速高温烧结技术在7分钟内成功制备了具有缺陷萤石结构的(Gd_0.5Dy_0.5)₄Hf₃O₁₂稀土铪酸盐陶瓷（以下简称GDH）。

这个材料表现出优异的热物理性能：1500°C时热膨胀系数达11.8×10^-6/K，与YSZ相当；1300°C时热导率低至1.83 W/m·K，低于传统YSZ材料。经1500°C退火60小时后，材料保持良好相稳定性，晶粒生长缓慢，表现出优异抗烧结性能。

本次研究是采用Gd³⁺与Dy³⁺等摩尔共掺杂”的策略，通过超快高温烧结技术成功制备了具有缺陷萤石结构的GDH陶瓷。其核心机制在于，半径差异的两种稀土离子共占同一晶格位点，引发了显著的内部晶格畸变。这种晶格畸变提高了活性离子的扩散激活能，延缓了腐蚀产物的形成。在1250°C CMAS腐蚀实验中，GDH形成由HfO₂和磷灰石组成的致密反应层，有效阻止熔体渗透，腐蚀10小时后反应层厚度仅8.9μm，远优于对比材料。

GDH陶瓷在1250°C下CMAS腐蚀20小时后的截面形貌

综合其高热膨胀系数（1500°C, 11.8×10^-6/K）、低热导率、卓越的高温稳定性及优异的抗CMAS腐蚀能力，GDH陶瓷展现出成为下一代航空发动机热障涂层材料的巨大潜力。

在后期研究中，还需探索其作为实际涂层（如通过等离子喷涂）的制备工艺与性能，并进一步评估其在热梯度耦合环境下的长时服役行为与失效机理。

来源：中科精研材料制备技术研究院

（中国粉体网编辑整理/空青）

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