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 ·313· 由LZ7C3合成动力学的研究可知，在1400℃、2.3LZ7C3的组织与性能 煅烧5合成的粉末没有其他杂相，可认为在此合 2.3.1组织 成条件下合成的LZ7C3符合要求，并根据3种原料 图5是LZ7C3粉末采用干压法压制并烧结后 粉末失重规律的研究，在1400℃、5h条件下进行初 经过热腐蚀得到的微观组织形貌.可以看到合成后 始成分设计 的组织均匀且致密，无其他杂质相的存在，并且晶粒 图3是按化学计量比进行配料，在1400℃、5h 之间空隙较小，通过排水法测得陶瓷块体的密度为 条件下合成粉末的能谱分析.可以看到各元素的原 5.65gcm-3,相对密度为91.53%. 子比例与理论相比有所偏离，分别是La偏小 2.45%,Zr偏小1.38%，Ce偏大3.83%，即在合成 过程中粉末有质量的损失，造成各元素最后的比例 有偏离.因此应在固相合成前预先补偿各种原料粉 末在合成过程中的质量损失，重新球磨混料和固相 合成，制备得到的粉末能谱分析如图4所示.三种 元素的质量分数分别为La46.17%,Zr21.61%和 Ce14.13%,相应的原子分数La为50.89%，Zr为 34.31%,Ce为14.80%，原子比例非常接近10：7： 400m 3,可以认为合成了LZ7C3陶瓷粉末. 3.0 图5LZ7C3的微观组织 质 原子理论原 Fig.5 Microstructure of 1Z7C3 25 Zrla LaLa 元素分数修分数件子分数原 460475 0 h20.27 2.3.2热导率 2.0 62 C17431883 15 样品的热导率K可根据以下公式计算得出： 15 K=入pcp (1) 10 式中，c,为定压比热容，入为热扩散系数，p为样品的 密度.由于样品中存在着空隙，其相对密度无法达 到100%，因此材料的热导率K。应根据以下公式予 以修正切： 能量k=V 图3化学计量比配料合成粉末的能谱 =1-青0 (2) Ko Fig.3 EDS spectrum of the powder prepared by stoichiometric 式中，K为修正后完全致密的样品热导率，φ为孔 composition 隙率。 材料的比热容cn通过DSC差示扫描量热计测 得，结果如图6所示，其中L☑的数据来源于文献 15.5P Zda 质量原子理论原 8].由图可知，LZ7C3的比热容随着温度的变化不 12.4 元素分数情分数网子分数件 46.1750.89 50 大，在0.40到0.45Jg1K-1之间，与LZ的比热容 2161 3431 5 Ce 14.1314.0 (0.45~0.65J·g1·K-1)相比，LZ7C3的比热容下 降了20%左右. 热扩散系数入通过激光热导仪测定，结果如 图7所示.可以看出，由于Ce4+对LZ的Zr位进行 3.1 了部分取代，相对于LZ来说，LZ7C3的热扩散系数 56 10 更低，这是由于Ce+的离子半径较Zr+大，降低了 能量keV 声子的传导自由程，声子的散射增强回.另外， 图4补偿质量损失后制备得到粉末的能谱 LZ7C3的热扩散系数随着温度的升高而下降，即 Fig.4 EDS spectrum of the powder prepared by compensating LZ7C3的热扩散系数与温度成反比，并且温度越高， the mass loss 其值越趋于平缓，下降的幅度越小，甚至有增加的趋第 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 由 LZ7C3 合成动力学的研究可知，在 1 400 ℃、 煅烧 5 h 合成的粉末没有其他杂相，可认为在此合 成条件下合成的 LZ7C3 符合要求，并根据 3 种原料 粉末失重规律的研究，在 1 400 ℃、5 h 条件下进行初 始成分设计． 图 3 是按化学计量比进行配料，在 1 400 ℃、5 h 条件下合成粉末的能谱分析． 可以看到各元素的原 子比 例 与 理 论 相 比 有 所 偏 离，分 别 是 La 偏 小 2. 45% ，Zr 偏小 1. 38% ，Ce 偏大 3. 83% ，即在合成 过程中粉末有质量的损失，造成各元素最后的比例 有偏离． 因此应在固相合成前预先补偿各种原料粉 末在合成过程中的质量损失，重新球磨混料和固相 合成，制备得到的粉末能谱分析如图 4 所示． 三种 元素的质量分数分别为 La 46. 17% ，Zr 21. 61% 和 Ce 14. 13% ，相应的原子分数 La 为 50. 89% ，Zr 为 34. 31% ，Ce 为 14. 80% ，原子比例非常接近 10 ∶ 7 ∶ 3，可以认为合成了 LZ7C3 陶瓷粉末． 图 3 化学计量比配料合成粉末的能谱 Fig． 3 EDS spectrum of the powder prepared by stoichiometric composition 图 4 补偿质量损失后制备得到粉末的能谱 Fig． 4 EDS spectrum of the powder prepared by compensating the mass loss 2. 3 LZ7C3 的组织与性能 2. 3. 1 组织 图 5 是 LZ7C3 粉末采用干压法压制并烧结后 经过热腐蚀得到的微观组织形貌． 可以看到合成后 的组织均匀且致密，无其他杂质相的存在，并且晶粒 之间空隙较小，通过排水法测得陶瓷块体的密度为 5. 65 g·cm － 3 ，相对密度为 91. 53% ． 图 5 LZ7C3 的微观组织 Fig． 5 Microstructure of LZ7C3 2. 3. 2 热导率 样品的热导率 κ 可根据以下公式计算得出: κ = λ·ρ·cp ． ( 1) 式中，cp为定压比热容，λ 为热扩散系数，ρ 为样品的 密度． 由于样品中存在着空隙，其相对密度无法达 到 100% ，因此材料的热导率 κ0应根据以下公式予 以修正［7］: κ κ0 = 1 － 4 3 φ． ( 2) 式中，κ0为修正后完全致密的样品热导率，φ 为孔 隙率． 材料的比热容 cp通过 DSC 差示扫描量热计测 得，结果如图 6 所示，其中 LZ 的数据来源于文献 ［8］． 由图可知，LZ7C3 的比热容随着温度的变化不 大，在 0. 40 到 0. 45 J·g － 1 ·K － 1 之间，与 LZ 的比热容 ( 0. 45 ～ 0. 65 J·g － 1 ·K － 1 ) 相比，LZ7C3 的比热容下 降了 20% 左右． 热扩散系数 λ 通过激光热导仪测定，结果如 图 7所示． 可以看出，由于 Ce 4 + 对 LZ 的 Zr 位进行 了部分取代，相对于 LZ 来说，LZ7C3 的热扩散系数 更低，这是由于 Ce 4 + 的离子半径较 Zr 4 + 大，降低了 声子的传导自由程，声 子 的 散 射 增 强［9］． 另 外， LZ7C3 的热扩散系数随着温度的升高而下降，即 LZ7C3 的热扩散系数与温度成反比，并且温度越高， 其值越趋于平缓，下降的幅度越小，甚至有增加的趋 ·313·