原文出自 Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊

Cite this article:

Wang J, Chen L, Li B, et al. Evolutions of mechanical and thermal properties of TmNbO₄/Tm₃NbO₇ composites as protective coating materials. Journal of Advanced Ceramics, 2024, https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220973

文章DOI：10.26599/JAC.2024.9220973

ResearchGate：https://www.researchgate.net/publication/384157652_Evolutions_of_mechanical_and_thermal_properties_of_TmNbO_4_Tm_3_NbO_7_composites_as_protective_coating_materials

1、导读

针对当前热障涂层和可磨耗封严涂层存在的隔热降温梯度不足和服役寿命短等问题，昆明理工大学冯晶、陈琳团队设计并合成了TmNbO₄/Tm₃NbO₇复合材料，通过添加第二相材料，协同优化TmNbO₄的热-力学性能。揭示了TmNbO₄/Tm₃NbO₇复合材料的力学和热学性能的演变，为开发高性能热障涂层材料提供了新途径。

2、研究背景

热障涂层隔热性能和服役寿命是两个关键指标。隔热性能由热导率决定，即热导率越低，隔热性越高。对于涂层的寿命，它受到硬度、断裂韧性、热膨胀系数、高温稳定性等的影响。高的硬度和断裂韧性可以帮助涂层抵抗外部和内部高速颗粒的冲击，使其能够保持结构完整性。粘结层和陶瓷涂层之间的热膨胀系数匹配可以降低界面中的热应力。优异的稳定性意味着涂层在高温下不会发生相变。

目前，通过在具有优异综合性能的热障涂层材料中加入第二相材料来协同优化热学和力学性能是一种可行和有效的策略，RENbO₄和RE₃NbO₇具有相同的元素成分，并且表现出互补的力学和热学性能，因此将Tm₃NbO₇引入TmNbO₄中可以获得克服其各自局限性的复合材料。

3、文章创新点

（1）Tm₃NbO₇的引入增强了TmNbO₄/Tm₃NbO₇复合材料中晶粒之间的结合强度，导致裂纹扩展过程中需要更多的能量。微裂纹、裂纹桥接和分叉的同时作用降低了裂纹尖端周围的应力集中，提高了复合材料断裂韧性。

（2）由于TmNbO₄和Tm₃NbO₇晶粒之间的良好结合，复合材料的热膨胀系数可以通过机械混合原则有效地估算，它们相似的热膨胀系数有效降低了复合材料内部的热应力，这非常里有利于该复合材料的进一步的工程化应用。

（3）提出了一种抑制热辐射传导率的新方法，即具有玻璃状导热率的氧化物可用于抑制高温下导热率的增加，在本工作中，具有萤石结构的Tm₃NbO₇第二相有效抑制了复合材料高温下的辐射传热。

4、研究结果及结论

图1表明所制备的复合材料中TmNbO₄为单斜相，Tm₃NbO₇为立方相，不存在其他杂相，这与我们设计的成分结构一致。在C-Tm₃NbO₇中，Tm、Nb和O原子的排列是无序的，这对于高温热导率的降低具有关键性的作用。

图1，合成陶瓷的XRD图谱和相应晶体结构图。（a）（b）XRD图谱；（c）（d）M相的TmNbO₄和立方相的Tm₃NbO₇的晶体。

图2给出了维氏显微硬度计测试的杨氏模量、硬度和断裂韧性。杨氏模量和硬度随着Tm₃NbO₇含量的增加而增加，证明通过引入Tm₃NbO₇第二相成功地提高了TmNbO₄的硬度和模量。复合材料的断裂韧性随着Tm₃NbO₇含量的增加先提高后减小，含有80 wt% TmNbO₄的样品的断裂韧性高达3.3±0.4 MPa·m^1/2，与7YSZ的断裂韧性相当，优于大多数氧化物。

图2，复合材料的力学性能。（a）杨氏模量；（b）维氏硬度；（c）不同氧化物陶瓷的模量和硬度比较。

图3展示了复合材料显微维氏硬度测试后的压痕及裂纹扩展行为，在含有80 wt% TmNbO₄的复合材料中实现了最高的断裂韧性，这是微裂纹、裂纹桥接和分叉以及晶界增强的共同作用。由于铁弹性畴取向不同，TmNbO₄晶粒之间的组合相对较弱，引入Tm₃NbO₇可以加强晶粒之间的结合。通过将Tm₃NbO₇复合到TmNbO₄陶瓷中，可以协同提高杨氏模量、硬度和断裂韧性。

图3，复合陶瓷压痕微观结构。（a）TmNbO₄的压痕和裂纹；（b）含有80wt% TmNbO₄的复合材料的压痕和裂纹；（c）含20wt% TmNbO₄复合材料的压痕和裂纹

图4展示了TmNbO₄和Tm₃NbO₇位移-深度曲线，我们利用曲线进一步估计了复合材料的刚度和耐磨性，结果表明在引入Tm₃NbO₇第二相后复合材料保持了良好的耐磨性能。

图4，复合陶瓷的耐磨性估算，（a）TmNbO₄的载荷深度曲线；（b）Tm₃NbO₇的载荷深度曲线；（c）卸载阶段的“pop out”现象；（d）符合陶瓷的耐磨性与其他氧化物比较

图5显示了TmNbO₄的热导率在25~700℃时随温度升高而先降低，在700~900℃时突然增加，这是由热辐射引起的。Tm₃NbO₇具有玻璃状热导率。Tm₃NbO₇的引入有效地抑制了TmNbO₄的热辐射，在含有20 wt% TmNbO₄的复合材料中实现了最低的热导率（1000 ℃，1.20 W·m^-1·K^-1）。相较于TmNbO₄和YSZ热导率分别降低了58.9%和37.7%，有效提高了此类材料作为热障涂层和可磨耗封严涂层使用时的隔热降温梯度，解决了TmNbO₄高温下热导率明显增大的问题。

图5，复合陶瓷和其他氧化物的热导率比较

图6展示了利用界面热阻模型计算的热导率和实验热导率的比较，证明了复合材料热导率存在界面热阻的贡献，每种复合材料的实验热导率在700~1000℃下随着温度的升高而降低。证明Tm₃NbO₇的引入有效抑制了热辐射。

图6，实验和界面热阻模式计算获得的复合陶瓷的热导率比较 

5、作者及研究团队简介

第一作者，王建坤，昆明理工大学材料学院博士研究生。主要从事钽酸盐热障涂层复合陶瓷性能优化，钽酸盐热障涂层制备和工艺优化等相关研究工作。

通讯作者，陈琳博士，昆明理工大学高层次引进人才、特聘教授；主要进行超高温热防护涂层材料的研究，包括热障涂层、环境障涂层、隔热涂层、腐蚀与防护、结构/功能陶瓷等。在Prog. Mater. Sci.、Acta Mater.、Scripta Mater.、J. Adv. Ceram.、J. Am. Ceram. Soc.、J. Eur. Ceram. Soc.和Appl. Phys. Lett.等期刊发表论文70余篇，引用1500余次，H因子22。获得授权国家发明专利39项，美国专利4项，日本专利3项，欧盟专利3项。担任中国稀土学会热防护材料分会秘书长/委员，中国稀土学会理事会专家库专家、中国硅酸盐学会特陶分会青委会委员和中国稀土学会青委会委员等。入选Journal of Advanced Ceramics、Rare Metals、Journal of Bionic Engineering、Advanced Powder Materials、Materials LAB、《中国表面工程》、《中国稀土学报》和《热喷涂技术》等期刊青年编委；兼任Acta Materialia、Advanced Functional Materials、Journal of the American Ceramic Society、Journal of Advanced Ceramics等30余个期刊审稿人。

《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介

《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，由清华大学材料学院新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室提供学术支持，主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，年发文量近200篇，2024年6月发布的影响因子为18.6，位列Web of Science核心合集中“材料科学，陶瓷”学科31种同类期刊第1名。2019年入选“中国科技期刊卓越行动计划”梯队期刊项目。

期刊主页：https://www.sciopen.com/journal/2226-4108

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