防热涂层材料La₂Ce₂O₇@La₂Zr₂O₇的核壳结构调控及对热物理性能的影响机制

项目简介：

防热涂层与高温合金基体热匹配性，高温稳定性和辐射性能是高超声速飞行器表面防护的关注焦点。本项目率先提出将热膨胀系数高的萤石型La₂Ce₂O₇与热稳定性好的烧绿石型La₂Zr₂O₇在湿法合成条件下形成核壳结构并用作涂层材料。研究了La₂Ce₂O₇@La₂Zr₂O₇粉体的核壳结构特征与其烧结体显微组织的关系，明确了烧结体中核壳结构的演变规律。研究了La₂Ce₂O₇@La₂Zr₂O₇烧结体微观组织结构对其热辐射率、抗烧结性能等热物理性能的影响规律，并与相同成分配比的La₂(Zr_1-xCe_x)₂O₇机械混合烧结体进行对比，研究核壳结构烧结体的显微组织特点及热物理性能特点。研究了长时间恒温烧蚀条件下，核壳结构La₂Ce₂O₇@La₂Zr₂O₇烧结体热物理性能演变规律。

研究成果：

本项目针对传统防热涂层材料热膨胀系数低、热稳定性差、辐射传热机制不明等的问题，利用共沉淀法+水热法制备了La₂Ce₂O₇@La₂Zr₂O₇纳米粉体。研究表明La₂Ce₂O₇@ La₂Zr₂O₇核壳结构在1300 ℃烧结后，组织均匀，无明显烧结现象，密度变化率为10.6%，晶粒尺寸稳定在450 nm左右，致密度变化缓慢。在1300 ℃~1500 ℃下烧结，其致密度和密度变化率迅速增加，变化趋势与La₂Zr₂O₇相似。1500 ℃烧结迅速增大到2.5 μm。其耐热温度从1300 ℃提高到1500 ℃。800℃下，热辐射率约为0.8，可以较好地实现辐射散热。在项目资助期间，申请人及团队发表SCI/EI收录论文3篇、授权发明专利1项，参加学术会议4次，培养了2名研究生，6名本科生。

图1 (a)La₂Ce₂O₇内核的TEM照片；(b)为图9(a)白框内的HRTEM；(c)La₂Ce₂O₇@La₂Zr₂O₇的TEM照片；(d) 图9(c)白框内的HRTEM；(e)、(f)分别为图9(d)白框内SAED和EDX图

图2 不同温度烧结6 h试样的SEM照片

(a~c) La₂Zr₂O₇; (d~f) La₂Ce₂O₇; (g~i) La₂Ce₂O₇@La₂Zr₂O₇

图3 La₂(Ce_xZr_1-x)₂O₇(0<x<1)及核壳结构烧结体800^oC的光谱发射率

完成人简介:

黄建平，博士，副教授，湖南工学院“三个一批”拔尖人才，青年骨干教师培养对象、优秀本科毕业论文指导老师，优秀班主任。现任湖南工学院材料科学与工程学院副院长。长期从事高性能防隔热材料和光催化材料的开发与研究，主持了包括国家自然科学基金项目1项、省级项目2项，参与了国家973项目、国家自然科学基金项目、湖南省自然科学基金项目等项目10余项，在Applied Surface Science、Materials Letters、Optical Materials、Thin Solid Films、Journal of Alloys and Compounds、中国有色金属学报、无机化学学报、湖南大学学报（自然科学版）等国内外知名学术刊物上发表相关论文近20篇。