高溫輻射熱防護是指通過表面涂層設計，在有效隔絕熱傳導的同時向外輻射熱量，從而實現有效的熱阻斷、熱隔絕和輻射散熱。這在高速飛行器、航天器熱控等眾多領域中具有重要的意義。高性能的輻射熱防護需要涂層具有高發射率，以最大限度地提高熱輻射耗散，同時具有低導熱率，以減少向金屬基材的熱傳導。傳統的熱障陶瓷，包括稀土鈮酸鹽、鋯酸鹽、鉭酸鹽和鉿酸鹽等，雖然具有較低的熱導率，但其紅外發射率也較低（<0.5）。近年來，通過稀土和過渡族陽離子摻雜改性，提高陶瓷的發射率備受關注。然而，摻雜改性提高發射率的同時也可能導致熱導率的提升。基于單相材料實現兼具高發射率和低熱導功能的涂層仍然沒有取得關鍵性的理論和實驗進展。

近日，哈工大材料學院周玉院士團隊王亞明教授課題組與能源學院帥永團隊裘俊副教授課題組合作報道了一種具有超高發射率（0.9）和超低熱導率（0.5W·m^-1·K^-1）的鈮酸釔基輻射熱防護陶瓷涂層，哈工大助理教授陳國梁為論文的第一作者。研究團隊通過Ca²⁺-Cr³⁺離子不等價摻雜和熱噴涂制備構建層狀微孔結構涂層，從電子、聲子、涂層微結構等多尺度角度分析，揭示了涂層組織結構與發射率、熱導率的構效關系。發現通過調控聲子無序、微孔取向以及光子多次散射吸收能使涂層的發射率和熱導率比值高達1.3，達到了報道以來最高的發射率和熱導率比值，為高溫輻射熱防護陶瓷涂層的設計提供新思路。該研究成果以《基于層狀多孔Ca-Cr共摻雜Y₃NbO₇的輻射熱防護涂層》（A promising radiation thermal protection coating based on lamellar porous Ca-Cr co-doped Y₃NbO₇ ceramic）為題，以長文形式在線發表于國際權威雜志《先進功能材料》（Adv. Funct. Mater.，2022~2023年影響因子19.924）。

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https://doi.org/10.1002/adfm.202305650

圖1 a) 輻射熱防護涂層示意圖；b) 不同輻射熱防護材料的熱防護效果對比；c) Ca-Cr摻雜Y₃NbO₇的晶體結構

圖2 a) 涂層的截面形貌；b)涂層表面的元素分布圖; c) 涂層的表面形貌；d)涂層精修的XRD圖譜；e) 涂層的透射表征圖譜

圖3 a) 涂層熱導率與微孔取向和孔隙率的關系；b) 涂層的截面掃描圖；c)Y₃NbO₇基陶瓷及其涂層的熱導率對比；d) 具有垂直和 e) 水平取向微孔涂層的溫度和熱流分布圖。

圖4 a) 涂層表面的3D形貌；b) 涂層隨機粗糙表面模型；c)，d) 8μm和e) 14μm波長下，涂層x-z截面的光電場分布

圖5 a) Ca-Cr摻雜Y₃NbO₇陶瓷的熱膨脹系數；b)涂層在熱沖擊循環下表面的溫度變化；c)涂層循環熱沖擊照片及其表面的SEM圖；d) 涂層在多次熱沖擊作用后的XRD圖譜；e)涂層在多次熱沖擊后的Raman圖譜；f)涂層在多次熱沖擊作用下的發射率變化。

該工作從電子、聲子、涂層微結構等多尺度角度揭示了涂層組織結構與發射率、熱導率之間的構效關系。在熱導率方面，通過調控聲子無序和涂層內部微孔的取向，成功減小熱流通道，降低熱導率達0.5W/(m·K)；在發射率方面，Ca-Cr共摻雜誘導雜質能級產生，協同表面微結構強化光吸收改善界面阻抗匹配性，將平均發射率提高至0.9以上。涂層的綜合發射率和熱導率比值高達1.3，這是目前報道最高的輻射熱防護優值。這種層狀多孔結構陶瓷涂層兼具高發射率、低熱導率、高結合強度和熱穩定性等優異的綜合性能，在金屬輻射熱防護系統上具有很大的應用潛力。