几种稀土硅酸盐陶瓷的预测、制备和性能研究

Si3N4和SiC等硅基陶瓷不仅具有优异的高温力学性能，而且在干燥的空气中表现出良好的高温稳定性，使其成为具有应用前景的燃气轮机用热结构部件材料。然而当暴露在含有水蒸气的燃烧环境中时，硅基陶瓷会受到水蒸气腐蚀而生成具有挥发性的氢氧化硅，从而导致硅基陶瓷的失效，严重限制了该类陶瓷在燃烧环境中的应用。在部件表面涂覆环障涂层来保护硅基陶瓷基体材料是实现该类材料应用的必要途径。 　　

本文研究的稀土硅酸盐陶瓷被认为是硅基陶瓷的第三代环障涂层材料，并且其中一部分稀土硅酸盐属于低热导率陶瓷，使得它们有望成为硅基陶瓷环/热障一体化... 展开 Si3N4和SiC等硅基陶瓷不仅具有优异的高温力学性能，而且在干燥的空气中表现出良好的高温稳定性，使其成为具有应用前景的燃气轮机用热结构部件材料。然而当暴露在含有水蒸气的燃烧环境中时，硅基陶瓷会受到水蒸气腐蚀而生成具有挥发性的氢氧化硅，从而导致硅基陶瓷的失效，严重限制了该类陶瓷在燃烧环境中的应用。在部件表面涂覆环障涂层来保护硅基陶瓷基体材料是实现该类材料应用的必要途径。 　　

本文研究的稀土硅酸盐陶瓷被认为是硅基陶瓷的第三代环障涂层材料，并且其中一部分稀土硅酸盐属于低热导率陶瓷，使得它们有望成为硅基陶瓷环/热障一体化涂层材料。作为极端环境使用的环/热障涂层材料需要满足苛刻的性能要求，包括

(1)与基体材料相匹配的热膨胀系数;

(2)良好的抗氧化性和抗腐蚀性;

(3)较低的热导率;

(4)良好的高温稳定性等。材料的热学、力学和与基体匹配性相关的性能对筛选高可靠性的环/热障涂层材料非常重要。然而，稀土硅酸盐陶瓷家族庞大，对稀土硅酸盐的本征性能报道较少。要实现稀土硅酸盐在硅基陶瓷环/热障涂层上的选材和应用，对其热学、力学和抗腐蚀等性能进行全面评价并实现优选。本论文的研究工作着眼于此，主要围绕以下几个方面开展研究: 

采用第—性原理计算的方法，对稀土单硅酸盐的高温相X2-RE2SiO5的弹性性质、高温极限热导率和本征晶格热导率进行了理论预测，从而对其作为硅基陶瓷环/热障涂层的可行性进行理论判断。结果表明，X2-RE2SiO5具有极低的热导率和较低的弹性模量，是潜在的硅基陶瓷环/热障涂层候选材料。通过两步（无压/热压烧结）方法成功制备了纯相、致密的块体X2-RE2SiO5陶瓷。系统地研究了其本征力学和热学性能，为X2-RE2SiO5作为硅基陶瓷环/热障涂层材料提供了可靠的依据。 　　

针对硅基陶瓷环/热障一体化涂层对良好隔热性能的需求，采用掺杂的方法制备了(YxYb1-x)2SiO5和(YxHo1-x)2SiO5两类固溶体材料，对其热导率、高温杨氏模量、内耗和弯曲强度等性能进行了研究。通过掺杂获得了热导率更低、密度较小的稀土硅酸盐固溶体材料，为实现它们作为硅基陶瓷环/热障涂层的性能优化和调控提供了指导。 　　

陶瓷的本征脆性是限制其广泛使用的一个重要因素，发现并理解具有良好损伤容限的稀土硅酸盐陶瓷具有重要意义。通过理论预测和实验相结合的方法，发现了β-RE2Si2O7(RE=Yb和Lu)是具有良好损伤容限的陶瓷材料。采用赫兹压痕的方法引入塑性变形，结合透射电镜对塑性变形区域进行观察，研究了其室温和高温的变形机制。结果表明，β-RE2Si2O7的室温变形机制为变形孪晶和位错结合;而在高温变形时，位错攀移成为了主导的变形机制。此外，通过可能孪晶模式的理论分析，解释了β-RE2Si2O7中只发现(110)变形孪晶的原因在于这种孪晶模式没有原子拖曳、较小的剪切应变和较低的剪切变形阻力。 　　

从晶体结构、化学成分和声子弛豫时间的角度研究了几种稀土双硅酸盐RE2Si2O7的热导率。发现晶体结构复杂、含有较重原子的RE2SGO7的热导率更低，同时光学声子的驰豫时间小，对RE2Si2O7热导率贡献非常小。 　　

为了筛选出抗腐蚀性能更为优异的稀土硅酸盐陶瓷，本工作研究了X2-RE2SiO5和RE2Si2O7在1400℃含有9.2％H2O和1300℃表面涂覆CaO-MgO-Al2O3-SiO2(CMAS)情况下的腐蚀行为。结果表明，稀土单硅酸盐抗水蒸气腐蚀能力与稀土离子半径呈V字形关系，而其抗CMAS腐蚀性能与稀土离子半径呈线性关系。与相应的RE2Si2O7相比，X2-RE2SiO5表现出更加优异的抗水蒸气腐蚀和抗CMAS腐蚀性能。通过对稀土硅酸盐腐蚀行为的研究，为评价其抗腐蚀性能提供了可靠的依据