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?沈陽工業大學材料學院發表腐蝕頂刊：高熵陶瓷的微結構設計！

2021-08-24 14:59:57 作者：材料學網來源：材料學網分享至：

導讀：本文設計并制備出一種高溫穩定性好、耐CMAS腐蝕的高熵二硅酸鹽（4RE0.25）2Si2O7 （RE=Y，Yb，Er和Sc）陶瓷材料。采用溶膠-凝膠法制備了高熵（4RE0.25）2Si2O7粉體，并將少量Y-Si-Al-O玻璃粉體加入該粉體中，再通過無壓燒結制備出塊體高熵（4RE0.25）2Si2O7陶瓷材料。在該陶瓷材料中，少量Y-Si-Al-O玻璃能夠均勻填充在（4RE0.25）2Si2O7晶粒的晶界處。與RE2Si2O7 （RE = Y和Er）相比，該陶瓷材料在1600℃保溫15 h晶粒尺寸幾乎沒有變化，具有良好的高溫穩定性。此外，在熔融低熔點氧化物CaO-MgO-Al2O3-SiO2 （CMAS）腐蝕過程中，在晶界處的Y-Si-Al-O玻璃相能起到阻擋層的作用，抑制Ca2+擴散，緩解熔融CMAS對（4RE0.25）2Si2O7晶粒的侵蝕，從而使（4RE0.25）2Si2O7陶瓷材料表現出較好的抗熔融CMAS腐蝕能力。在1500℃，腐蝕48 h后，（4RE0.25）2Si2O7陶瓷材料的腐蝕層厚度僅為73 μm。

SiC基陶瓷復合材料由于具有重量輕、比強度和模量高、抗高溫氧化和蠕變等優異性能，被認為是高推重比航空發動機高溫部件的候選材料。然而，在高流速水蒸氣的燃燒環境中，SiC陶瓷會與高溫水汽生成單硅酸Si（OH）4氣體，使高溫部件表面不斷地被沖刷和侵蝕，這就極大地降低了陶瓷部件的使用壽命和穩定性。因此，需要在SiC基復合材料表面制備一層環境障涂層提高耐高溫腐蝕能力。稀土硅酸鹽陶瓷以其良好的相穩定性和抗高溫水汽腐蝕能力，成為了目前SiC基復合材料表面環境障涂層的熱門材料。但是，傳統的稀土硅酸鹽陶瓷在長時間高溫環境中，結構穩定性差，容易產生裂紋。與此同時，在沙漠或火山附近，沙子或者火山灰常常會被吸入飛機發動機內，而該類物質熔點較低，會在葉片等熱結構部件表面熔融，從而不斷與表面稀土硅酸鹽涂層發生反應而導致涂層的失效。因此，有必要設計出一種具有高溫穩定、耐熔融CMAS腐蝕的稀土硅酸鹽陶瓷涂層材料，以滿足高溫陶瓷部件在極端環境下穩定使用的要求。

最近，沈陽工業大學材料學院王占杰團隊設計并制備出一種高溫穩定性好、耐CMAS腐蝕的高熵二硅酸鹽（4RE0.25）2Si2O7 （RE=Y，Yb，Er和Sc）陶瓷材料。首先，采用溶膠-凝膠法制備出高熵二硅酸鹽（4RE0.25）2Si2O7粉體，然后將少量Y-Si-Al-O玻璃粉體加入該粉體中，再通過無壓燒結制備出塊體高熵（4RE0.25）2Si2O7陶瓷材料。在高熵（4RE0.25）2Si2O7陶瓷材料結構中，少量Y-Si-Al-O玻璃相處于晶界處，形成玻璃層將高熵（4RE0.25）2Si2O7陶瓷晶粒包裹其中。一方面，基于高熵陶瓷相和結構穩定的特點，使得該高熵陶瓷材料能夠保持良好的高溫穩定性。與RE2Si2O7 （RE = Y和Er）相比，該陶瓷材料在1600℃保溫15 h后，其相結構和晶粒尺寸幾乎沒有變化，表現出良好的高溫穩定性。另一方面，在熔融CMAS腐蝕過程中，熔鹽中的Ca2+離子必須穿過Y-Si-Al-O玻璃層，才能侵蝕（4RE0.25）2Si2O7晶粒。而包裹在晶粒表面的Y-Si-Al-O玻璃層能起到阻擋層的作用，抑制Ca2+擴散，緩解熔融CMAS對（4RE0.25）2Si2O7晶粒的侵蝕，從而提高了（4RE0.25）2Si2O7陶瓷材料的抗熔融CMAS腐蝕能力。結果表明：在1500℃，腐蝕48 h后，該高熵（4RE0.25）2Si2O7陶瓷材料的腐蝕層厚度僅為73 μm。相關研究結果以題為“Preparation and corrosion resistance of high-entropy disilicate （Y0.25Yb0.25Er0.25Sc0.25）2Si2O7 ceramics”發表在國際腐蝕頂刊Corrosion Science上。材料學院碩士研究生王旭為第一作者，王超副教授和吳玉勝教授為本文的共同通訊作者。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.corsci.2021.109786