关键词:
热障涂层材料
Gd2Zr2O7
多元掺杂
热膨胀系数
热导率
摘要:
本文以具有较好综合热物理性能的烧绿石型GdZrO陶瓷材料为研究对象,根据GdZrO中R(Gd)/R(Zr)比值处于相变临界点的特点,本文首先选取较Zr离子半径较小的Nb对Zr进行部分取代来使得R(Gd)/R(Zr)比值始终保持在烧绿石结构范围1.46≤R(Gd)/R(Zr)≤1.78内,进而研究Nb掺杂对GdZrO陶瓷材料的热膨胀系数及热导率的影响;然后在掺杂Nb的基础上对GdZrO陶瓷材料进行NbO,CuO以及NbO,FeO的共掺,使得共掺后陶瓷材料化学式保持ABO标准式,并对掺杂后的陶瓷材料的热膨胀系数以及热导率进行机理研究。本文采用高温固相反应法合成材料,分别利用XRD、Raman光谱仪、SEM、高温热膨胀仪以及激光导热仪对各系列陶瓷材料的晶体结构、显微形貌、热膨胀系数以及热扩散系数进行表征,并根据阿基米德原理和Neumann-Kopp定律计算各系列陶瓷材料的体积密度和热容。研究结果如下:对GdZrO中Zr位进行Nb掺杂、NbO、CuO共掺以及NbO与FeO的共掺结果表明:Gd(Zr-x Nb)O、Gd(ZrNbCu)O以及Gd(Zr-2x NbFe)O陶瓷试样均呈单一立方烧绿石结构,且三体系材料晶胞结构致密。热物理性能结果表明:在室温至1300℃范围内,Gd(Zr-x Nb)O及Gd(ZrNbCu)O陶瓷试样的热膨胀系数随掺杂氧化物含量的增加而降低,Gd(ZrNbFe)O陶瓷试样的热膨胀系数随着NbO及FeO掺杂量的增加呈先增加后降低的现象。Gd(Zr-x Nb)O陶瓷试样的热导率随NbO掺杂量的增加从室温下的1.53-1.81 W/(m·K)范围变化至1000℃的1.27-1.45 W/(m·K)范围。Gd(ZrNbCu)O陶瓷的热导率在测试温度范围25℃-1000℃之间呈下降趋势,从2.01 W/(m·K)降低至1.10 W/(m·K),而随着NbO、CuO掺杂量的增加,其热导率呈先降低后增高的现象。Gd(ZrNbFe)O陶瓷材料的热导率在25℃-1000℃范围呈下降趋势,当Nb、Fe的掺杂量在0-0.05 mol范围时,Gd(ZrNbFe)O陶瓷材料的热导率随Nb、Fe的掺杂量的增加而增加,当掺杂量达到0.06 mol时,其热导率比掺杂量为0.05 mol时略有降低。结果表明,Gd(ZrNbCu)O体系陶瓷材料具有作为YSZ材料的候选材料的可能。