第3期 项建英等：热障涂层陶瓷材料La,(Zra.,Cea),O,的制备和性能 ·315· 固体材料的热膨胀系数主要由点阵结构中的离子间 10:7:3的LZ7C3陶瓷粉末. 距与构成晶体元素间离子键强决定，离子键强越 (2)LZ7C3是由烧绿石结构的LZ固溶体和萤 小，离子间距越大，热膨胀系数就越大，当Ce+部分 石结构的LC固溶体组成，其中LZ固溶体是主相， 取代Zr离子后，Ce一0键能较Zr一0键能降低了， 其线膨胀系数在1473K时为11.6×10-6K-,比 因此用热膨胀系数大的C0,掺杂LZ提高了LZ的LZ提高了20%左右，其热导率随着温度的升高而 热膨胀系数.此外合成的LZ7C3的热膨胀系数明显 逐渐降低，在1473K时为0.79Wm1·K-1,较LZ 高于目前热障涂层中应用最广泛的8YSZ的热膨胀 降低了50%左右，这些优越的性能表明LZ7C3是一 系数，这有利于减少热障涂层中由于陶瓷层和金属 种具有较大应用前景的热障涂层陶瓷材料. 基体的热膨胀系数不匹配而产生的残余应力. 20 参考文献 18 [1]Miller R A.Thermal barrier coatings for aircraft engines:history 16 LZ7C3 14 and directions.Therm Spray Technol,1997,6(1):35 2]Cao X Q,Vassen R,Stoever D.Ceramic materials for thermal barrier coatings.J Eur Ceram Soc,2004,24(1):1 8 3]Clarke D R,Phillpot S R.Thermal barrier coating materials.Ma- 6 ter Today,2005,8(6):22 4 4]Cao X Q,Vassen R,Tietz F,et al.New double-ceramic-ayer 2 thermal barrier coatings based on zirconia-tare earth composite ox- 200 400 60080010001200 ides.J Eur Ceram Soc,2006,26(3):247 温度T [5] Ma W,Gong S K,Xu H B,et al.The thermal cycling behavior of lanthanum-cerium oxide thermal barrier coating prepared by EB- 图9LZ7C3与L☑的热膨胀系数 PVD.Surf Coat Technol,2006,200(16/17)5113 Fig.9 Thermal expansion coefficients of 127C3 and 1Z Xu Z H,He L M,Mu R D,et al.Influence of the deposition en- 2.3.4稳定性 ergy on the composition and thermal cycling behavior of La(Zro. Ceo.3)20 coatings.J Eur Ceram Soc,2009,29(9):1771 利用热重-差热分析(TG-DSC)研究了LZ7C3 ] Wu J,Wei X Z,Padture N P,et al.Low thermal conductivity 粉末的稳定性，如图10所示.从室温加热到 rare earth zirconates for potential thermal barrier coating applica- 1200℃，整个过程中质量几乎没有变化且没有相变 tion.J Am Ceram Soe,2002,85(12)3031 的发生，即LZ7C3粉末的相稳定性较好 B] Cao X Q.Materials for Thermal Barrier Coating.Beijing:Science Press,2007:241 0.30 102 (曹学强.热障涂层材料.北京：科学出版社，2007：241) 0.25 101 ] Bansal N P,Zhu D M.Effects of doping on thermal conductivity of 0.20 pyrochlore oxides for advanced thermal barrier coatings.Mater Sci 0.15 TC 100 EngA,2007,459(112):192 0.10 1o] DSC Mevrel R.Laizet J C,Azzopardi A,et al.Thermal diffusivity 0.05 99 and conductivity of ZrY,O (=0,0.084 and 0.179) single crystals.J Eur Ceram Soc,2004,24(10/11):3081 98 [11]Berman R.Thermal Conduction in Solids.Oxford:Clarendon -0.05 Press,1976 0.10 200 40060080010012097 [12]Xu Q,Pan W,Wang J D,et al.Preparation and thermophysical 温度℃ properties of Dy2Z2 ceramic for thermal barrier coatings.Ma- ter Lett,2005,59(22):2804 图10LZ7C3的热重-差热分析曲线 Fig.10 TG-DSC curves of LZ7C3 [13]Xu Z H,He L M,Zhong X H,et al.Thermal barrier coating of lanthanum-zirconium-cerium composite oxide made by electron 3结论 beam-physical vapor deposition.J Alloys Compd,2009,478(1/ 2):168 (1)研究了LZ7C3的合成动力学和相结构，并 [14]Zhou H M,Yi D Q.Effect of rare earth doping on thermo-physi- 根据合成过程中的质量损失对初始成分进行了设 cal properties of lanthanum zirconate ceramic for thermal barrier 计，采用固相合成法制备出符合原子比La:Zr:Ce为 coatings.J Rare Earths,2008.26(6):770第 3 期 项建英等: 热障涂层陶瓷材料 La2 (Zr0. 7Ce0. 3 )2O7 的制备和性能 固体材料的热膨胀系数主要由点阵结构中的离子间 距与构成晶体元素间离子键强决定［14］，离子键强越 小，离子间距越大，热膨胀系数就越大，当 Ce 4 + 部分 取代 Zr 离子后，Ce—O 键能较 Zr—O 键能降低了， 因此用热膨胀系数大的 CeO2 掺杂 LZ 提高了 LZ 的 热膨胀系数． 此外合成的 LZ7C3 的热膨胀系数明显 高于目前热障涂层中应用最广泛的 8YSZ 的热膨胀 系数，这有利于减少热障涂层中由于陶瓷层和金属 基体的热膨胀系数不匹配而产生的残余应力． 图 9 LZ7C3 与 LZ 的热膨胀系数 Fig． 9 Thermal expansion coefficients of LZ7C3 and LZ 2. 3. 4 稳定性 利用热重--差热分析( TG--DSC) 研究了 LZ7C3 粉末 的 稳 定 性，如 图 10 所 示． 从 室 温 加 热 到 1 200 ℃，整个过程中质量几乎没有变化且没有相变 的发生，即 LZ7C3 粉末的相稳定性较好． 图 10 LZ7C3 的热重--差热分析曲线 Fig． 10 TG--DSC curves of LZ7C3 3 结论 ( 1) 研究了 LZ7C3 的合成动力学和相结构，并 根据合成过程中的质量损失对初始成分进行了设 计，采用固相合成法制备出符合原子比 La∶ Zr∶ Ce 为 10∶ 7∶ 3的 LZ7C3 陶瓷粉末． ( 2) LZ7C3 是由烧绿石结构的 LZ 固溶体和萤 石结构的 LC 固溶体组成，其中 LZ 固溶体是主相， 其线膨胀系数在 1 473 K 时为 11. 6 × 10 － 6 K － 1 ，比 LZ 提高了 20% 左右，其热导率随着温度的升高而 逐渐降低，在 1 473 K 时为 0. 79 W·m － 1 ·K － 1 ，较 LZ 降低了 50% 左右，这些优越的性能表明 LZ7C3 是一 种具有较大应用前景的热障涂层陶瓷材料． 参 考 文 献 ［1］ Miller R A． Thermal barrier coatings for aircraft engines: history and directions． J Therm Spray Technol，1997，6( 1) : 35 ［2］ Cao X Q，Vassen R，Stoever D． Ceramic materials for thermal barrier coatings． J Eur Ceram Soc，2004，24( 1) : 1 ［3］ Clarke D R，Phillpot S R． Thermal barrier coating materials． Ma￾ter Today，2005，8( 6) : 22 ［4］ Cao X Q，Vassen R，Tietz F，et al． New double-ceramic-layer thermal barrier coatings based on zirconia-rare earth composite ox￾ides． J Eur Ceram Soc，2006，26( 3) : 247 ［5］ Ma W，Gong S K，Xu H B，et al． The thermal cycling behavior of lanthanum-cerium oxide thermal barrier coating prepared by EB￾PVD． Surf Coat Technol，2006，200( 16 /17) : 5113 ［6］ Xu Z H，He L M，Mu R D，et al． Influence of the deposition en￾ergy on the composition and thermal cycling behavior of La2 ( Zr0. 7 Ce0. 3 ) 2O7 coatings． J Eur Ceram Soc，2009，29( 9) : 1771 ［7］ Wu J，Wei X Z，Padture N P，et al． Low thermal conductivity rare earth zirconates for potential thermal barrier coating applica￾tion． J Am Ceram Soc，2002，85( 12) : 3031 ［8］ Cao X Q． Materials for Thermal Barrier Coating． Beijing: Science Press，2007: 241 ( 曹学强． 热障涂层材料． 北京: 科学出版社，2007: 241) ［9］ Bansal N P，Zhu D M． Effects of doping on thermal conductivity of pyrochlore oxides for advanced thermal barrier coatings． Mater Sci Eng A，2007，459( 1 /2) : 192 ［10］ Mévrel R，Laizet J C，Azzopardi A，et al． Thermal diffusivity and conductivity of Zr1 － x Yx O2 － x /2 ( x = 0，0. 084 and 0. 179) single crystals． J Eur Ceram Soc，2004，24( 10 /11) : 3081 ［11］ Berman R． Thermal Conduction in Solids． Oxford: Clarendon Press，1976 ［12］ Xu Q，Pan W，Wang J D，et al． Preparation and thermophysical properties of Dy2 Zr2O7 ceramic for thermal barrier coatings． Ma￾ter Lett，2005，59( 22) : 2804 ［13］ Xu Z H，He L M，Zhong X H，et al． Thermal barrier coating of lanthanum-zirconium-cerium composite oxide made by electron beam-physical vapor deposition． J Alloys Compd，2009，478( 1 / 2) : 168 ［14］ Zhou H M，Yi D Q． Effect of rare earth doping on thermo-physi￾cal properties of lanthanum zirconate ceramic for thermal barrier coatings． J Rare Earths，2008，26( 6) : 770 ·315·