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

Cite this article:

Zhang J, Han G, Cao X, et al. Regulating the composition, structure, and nanoscale dimensions of Yb₂Si₂O₇ environmental barrier coating to achieve a biomimetic teakwood-like functional structure by waste gas recycling. Journal of Advanced Ceramics, 2024, https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9221021 

文章DOI：10.26599/JAC.2024.9221021

ResearchGate：https://www.researchgate.net/publication/387188168_Regulating_the_composition_structure_and_nanoscale_dimensions_of_Yb_2_Si_2_O_7_environmental_barrier_coating

1、导读

Yb₂Si₂O₇因其优异的高温性能而被视为最有前途的环境障涂层（EBC）材料之一。然而，热喷涂中Yb₂Si₂O₇的分解挥发问题对其稳定性构成挑战。柚木以其卓越的机械性能和环境稳定性而闻名，其独特的层状结构为EBC的开发提供了新思路。本研究巧妙利用Yb₂Si₂O₇的分解挥发再利用，开发出PS-PVD气/液相交替沉积技术，精确调控Yb₂Si₂O₇涂层的组成和纳米结构，热处理后实现了仿生柚木结构的涂层制备。这项研究为类似挥发特性的喷涂粉末制备涂层提供了新的设计策略和方法。

2、研究背景

碳化硅陶瓷基复合材料（SiC-CMCs）因其低密度、卓越的高温机械性能和良好的热机械稳定性，被认为是燃气轮机高温应用的理想材料。然而，SiC表面被氧化的SiO₂层在高温燃烧环境中易与水蒸气反应，生成挥发性Si(OH)₄气体，导致材料使用寿命显著降低。为了解决这一问题，开发环境障涂层（EBC）以保护CMCs免受恶劣燃烧环境的快速衰退变得至关重要。自然界中的柚木以其高机械性能、出色的耐腐蚀性和耐久性而闻名，为设计高性能EBC提供了灵感。

本研究首次提出了仿生柚木结构的概念，并创新性地开发了气/液相交替沉积技术，实现了仿生结构的精确调控，为EBC的设计和制备开辟了新的可能性。通过等离子喷涂-物理气相沉积（PS-PVD）过程中的气/液相交替沉积，回收并调节了Yb₂Si₂O₇（YbDS）在喷涂过程中挥发的SiO₂的沉积与生长，在随后的热处理中实现了SiO₂与Yb₂SiO₅（YbMS）的原位反应，优化了YbDS涂层的纳米结构和组成。这一创新方法不仅提升了材料的利用率，也为EBC的制备带来了全新的视角。此外，这项研究为燃气轮机引擎等高温应用领域提供了创新的防护策略，预期将大幅提高涂层的机械性能和耐腐蚀性，实现在高温环境下的长期稳定保护，展现仿生结构在高温涂层应用中的广阔潜力。

3、文章亮点

（1）创新性地将仿生柚木结构设计应用于环境障涂层，为涂层领域带来创新的设计理念。

（2）在PS-PVD过程中成功开发了交替气/液相沉积技术，为涂层制备提供了新的工艺方法。

（3）通过精确控制YbDS挥发产生的SiO₂的沉积与生长，并结合热处理技术，促使SiO₂与YbMS发生原位反应，实现了对YbDS涂层纳米结构和成分的有效控制。

（4）利用上述技术成功制备出具有仿生柚木层状结构的多尺度纳米YbMS-YbDS复合EBC，实现了涂层结构的创新设计。

4、研究结果及结论

在本研究中，开发了一种创新技术，成功制备了具有仿生柚木结构的多尺度纳米YbDS-YbMS复合EBC。这一技术借助（PS-PVD）工艺实现。如图1所示，在YbDS涂层的喷涂过程中，每次喷涂后，喷枪会从涂层表面移开，并等待一段时间，直至涂层温度降至预设的450°C预热温度，方启动下一次喷涂。这一过程使得气化的含硅物质能够在等待期间重新沉积到涂层表面，通过反复执行此步骤，实现了涂层在气相和液相之间的交替沉积。

Fig. 1  Schematic diagram of the spraying process for YbDS coating.

实验在气/液相交替沉积的基础上，通过调整喷涂电流，有效控制了YbDS涂层的组成、结构和纳米尺寸。如图2所示，随着电流增加，YbDS相减少，Yb₂O₃和YbMS相增多，热处理后涂层完全结晶，只剩下C2/m YbDS和I2/a YbMS相，这对EBC系统的稳定性至关重要。由于Si-O的损失，YbMS相在所有热处理后的YbDS涂层中占显著比例。电弧电流从1450 A增至1700 A时，YbMS相的质量百分比先增后减，显示出通过电流调控YbMS组分的双向效应。

Fig. 2  XRD patterns of AD- (a) and HT- (b) YbDS coatings deposited using different plasma arc current.

图3中HT-YbDS-1700A涂层呈现出类似柚木规则排列的层状结构。为了确定AD-YbDS涂层中黑色细颗粒的化学成分，对AD-YbDS-1700A涂层的横截面进行了O、Si和Yb元素的电子探针显微分析（EPMA）映射扫描，如图4所示。扫描分析揭示了在黑色颗粒存在的区域，Si和O的浓度显著较高，而Yb的浓度相对较低。这表明黑色颗粒主要由SiO₂组成，证实了在喷涂过程中发生了SiO₂的气相沉积。

Fig. 3 The BSE SEM cross-section micrographs of AD- (a) and HT- (b) YbDS coatings at different plasma arc current.

Fig. 4  The cross-sectional BSE SEM image of the AD-YbDS-1700A coating, and its corresponding EPMA mapping for elements of O, Si and Yb.

随着喷涂电流增加，AD-YbDS涂层中SiO₂颗粒按三维生长模型进行沉积和生长，最终在AD-YbDS-1700A涂层中形成了具有连续纳米膜的规则排列的层状多尺度纳米结构。高电流、低室压和低预热温度的精确配合满足了SiO₂蒸发和沉积的热力学需求。喷枪远离涂层表面时，SiO₂气相中的过冷效应限制了颗粒生长，促成了纳米颗粒的形成。这些观察结果揭示了通过精确调控PS-PVD过程中的关键参数，能够实现YbDS涂层中SiO₂的蒸发和重新沉积，进而精确控制涂层的组成和结构。在随后的热处理过程中，沉积的SiO₂与涂层中分解的YbMS相发生原位反应，形成YbDS，同时保持了SiO₂的初始沉积形态，最终制备出具有类似柚木层状结构的多尺度纳米YbDS-YbMS复合EBC（HT-YbDS-1700A）。

5、作者及研究团队简介

韩桂芳（通讯作者），现为山东大学材料学院教授，博士生导师。主要从事极端环境用超高温陶瓷材料与涂层的设计、制备与性能考核，陶瓷材料增材制造和结构功能一体化材料研究。在Progress in Materials Science, Nature Communications, Journal of Advanced Ceramics, Corrosion Science等期刊发表SCI论文90余篇，被引用2000多次；参编学术专著2部；主持包括国家自然科学基金等科研项目7项；担任中国腐蚀学会高温分会委员、中国复合材料学会陶瓷基复合材料分会委员等职。

张小锋（通讯作者），正高，博士生导师，广东省科学院新材料研究所 (现代材料表面工程技术国家工程实验室) 热喷涂研究中心副主任、广东省长兴实验室副主任，国家优青、广东省杰青，广州市科技菁英、珠江新星。发明了航空发动机热障/环境障涂层镀铝表面改性技术，实现多型号航空发动机、燃气轮机应用。获中国有色金属学会“全国有色金属优秀青年科技奖”、“中国有色金属创新争先计划”、“杰出工程师青年奖”，广东省材料研究学会“青年科技奖”，以及广东省科技进步一等奖、中国有色金属工业科技进步一等奖(2项)等。现任中国硅酸盐学会特陶分会青工委副主任、中国机械工程学会表面分会青工委副主任、广东省材料研究学会青工委秘书长等。至今，以第一/通讯(含共同)在Nat. Commun.、Mater. Sci. Eng. R.等期刊发表SCI论文93篇 (单篇最高被引499次)，入选2023全球前2%顶尖科学家榜单，授权国家发明专利43件。担任《材料研究与应用》执行主编、J. Adv. Ceram.、Rare Metals青年编委。主持GF973项目课题、两机国家重大专项课题、国家重点研发计划课题等十余项涂层项目。

张军贵（第一作者），山东大学材料科学与工程学院在读博士研究生，专注于航空发动机热障涂层及环境障涂层领域的研究。至今，已在Journal of Advanced Ceramics、Rare Metals、Ceramics International等期刊上发表多篇学术论文，并担任中国硅酸盐学会建筑卫生陶瓷专业委员会委员。

作者及研究团队在Journal of Advanced Ceramics上发表的相关代表作：

[1] Sun J, Zhang J, Zhang X, et al. High strength mullite-bond SiC porous ceramics fabricated by digital light processing. J. Adv. Ceram. 2024, 13: 53-62.

[2] Zhang X, Li M, Zhang A, et al. Al-modification for PS-PVD 7YSZ TBCs to improve particle erosion and thermal cycle performances. J. Adv. Ceram. 2022, 11: 1093-1103.

[3] Wu X, Liang X, Zhang X, et al. Structural evolution of plasma sprayed amorphous Li4Ti5O12 electrode and ceramic/polymer composite electrolyte during electrochemical cycle of quasi-solid-state lithium battery. J. Adv. Ceram. 2021, 10: 347-354.

[4] Liu R, Liang W, Miao Q, et al. Revealing the oxidation growth mechanism and crack evolution law of novel Si–HfO2/Yb2Si2O7/Yb2SiO5 environmental barrier coatings during thermal cycling. J. Adv. Ceram. 2024, 13: 1677-1696.

《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。2024年入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目。

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

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