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【用戶成果】可視化燒結(jié)技術(shù)：精準(zhǔn)測(cè)定Ca?Ta?O?與Mg?Ta?O?陶瓷致密化溫度窗口

昆明理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院馮晶教授團(tuán)隊(duì)在《Ceramics?International》上發(fā)表了論文。本系統(tǒng)研究了兩種新型鉭酸鹽陶瓷?Ca?Ta?O??和?Mg?Ta?O?，作為新型熱障涂層（TBCs）候選材料的可行性，重點(diǎn)關(guān)注其燒結(jié)行為、熱膨脹性能、熱傳輸性能及相穩(wěn)定性。

2026-07-24

DOI：10.1016/j.ceramint.2022.04.331

昆明理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院馮晶教授團(tuán)隊(duì)在《Ceramics International》上發(fā)表了題為“Sintering, thermal expansion, and thermal transport properties of A?Ta?O??(A= Ca, Mg) tantalates”的論文。本系統(tǒng)研究了兩種新型鉭酸鹽陶瓷?Ca?Ta?O??和?Mg?Ta?O?，作為新型熱障涂層（TBCs）候選材料的可行性，重點(diǎn)關(guān)注其燒結(jié)行為、熱膨脹性能、熱傳輸性能及相穩(wěn)定性。

研究背景

熱障涂層(TBCs)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)高溫部件的重要保護(hù)材料，其通過(guò)降低熱傳導(dǎo)來(lái)提高燃油效率。目前廣泛應(yīng)用的是氧化釔穩(wěn)定氧化鋯(YSZ)，但其使用溫度被限制在1200°C以下，主要原因是高溫下會(huì)發(fā)生相變導(dǎo)致性能退化。為突破這一溫度限制，研究者們發(fā)現(xiàn)了稀土鉭酸鹽(RETaO?)這類具有鐵彈性相變帶來(lái)的高韌性、最高工作溫度可達(dá)1600°C、熱導(dǎo)率低至約1.15 W·m?1·K?1、熱膨脹系數(shù)高達(dá)約11.0×10?? K?1等優(yōu)異性能的新型熱障涂層材料，但稀土元素資源有限、價(jià)格昂貴成為其應(yīng)用瓶頸。因此，為了克服稀土元素的稀缺性和高成本問題，本研究嘗試用低成本的CaO和MgO替代稀土氧化物，制備新型A?Ta?O?鉭酸鹽陶瓷，并系統(tǒng)研究其致密化燒結(jié)、熱膨脹性能、相穩(wěn)定性和熱傳輸性能，以評(píng)估其作為新型熱障涂層材料的潛力。

樣品合成及燒結(jié)行為

1)原料：AO(A=Ca, Mg)+Ta?O??(純度≥99.9%)

2)球磨混合(300 rpm, 10h)→干燥→壓制圓片

天津中環(huán)電爐可視化高溫形變分析儀TA-Z16A助力樣品致密化燒結(jié)行為：

隨著溫度的升高(1200–1300°C)，體積收縮率保持不變，并且在該溫度范圍內(nèi)具有最高的相對(duì)密度。

◆Ca?Ta?O?：最佳燒結(jié)溫度為1200–1300°C，相對(duì)密度達(dá) 97.8%

◆Mg?Ta?O?：最佳燒結(jié)溫度為1240–1300°C，相對(duì)密度高達(dá)?99.8%

◆超過(guò)1300°C后，體積收縮率下降，相對(duì)密度降低（可能出現(xiàn)過(guò)燒或孔隙增加）?

3)SPS等離子燒結(jié)：1300℃，120MPa，10min

性能指標(biāo)匯總

結(jié)論

鉭酸鹽陶瓷作為新型熱障涂層（TBCs）候選材料，具有以下核心結(jié)論：

1)?致密化燒結(jié)性能優(yōu)異：通過(guò)光學(xué)接觸角測(cè)試儀測(cè)定了體積收縮率和相對(duì)密度隨溫度的變化，確定了最佳的致密化燒結(jié)溫度。所制備的Ca?Ta?O?和Mg?Ta?O?陶瓷相對(duì)密度分別高達(dá)97.8%和99.8%。

2)?力學(xué)性能滿足熱障涂層要求：兩種材料均具有較高的硬度、合適的楊氏模量和相對(duì)較高的斷裂韌性，其力學(xué)性能主要由原子間的鍵合強(qiáng)度控制，符合氧化物熱障涂層的基本要求。

3)?高熱膨脹系數(shù)與低熱導(dǎo)率：在1200°C時(shí)，Ca?Ta?O?和Mg?Ta?O?的熱膨脹系數(shù)分別達(dá)到11.4×10?? K?1和11.8×10?? K?1；在900°C時(shí)，其熱導(dǎo)率分別為1.93 W·m?1·K?1和1.78 W·m?1·K?1。這些優(yōu)異的熱物理性能主要源于強(qiáng)烈的非簡(jiǎn)諧晶格振動(dòng)。

4)?優(yōu)異的相穩(wěn)定性：兩種材料在1300°C以上仍能保持穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)，無(wú)明顯相變發(fā)生，表明它們可在超過(guò)1300°C的高溫環(huán)境下長(zhǎng)期使用。

中環(huán)電爐設(shè)備介紹

可視化高溫形變分析儀，光學(xué)非接觸法測(cè)量材料燒結(jié)過(guò)程膨脹收縮。材料在變溫過(guò)程中形狀、尺寸及物態(tài)變化在線實(shí)時(shí)觀測(cè)，并通過(guò)智能化數(shù)據(jù)采集與圖像處理系統(tǒng)給出直觀、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)及圖形報(bào)告，產(chǎn)品性能與國(guó)際同類產(chǎn)品相當(dāng)，處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。可視化高溫形變分析儀用于材料研發(fā)與制造，有助于精確制定材料燒結(jié)工藝或熱處理工藝，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本。

主要功能

◆?高溫測(cè)試：最高使用溫度1600℃/2000℃

◆ 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量燒結(jié)過(guò)程中收縮形變：非接觸測(cè)量和記錄樣品燒結(jié)過(guò)程中高度、寬度和面積隨溫度變化曲線

◆ 判斷各特征溫度：燒結(jié)點(diǎn)、軟化點(diǎn)、球化、半球化、熔點(diǎn)

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