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原文DOI：10.15541/jim20240256
引用本文：
FAN W K, YANG X, LI H H, et al. Pressureless Sintering of (Y0.2Gd0.2Er0.2Yb0.2Lu0.2)2Zr2O7 High-Entropy Ceramic and its High Temperature CMAS Corrosion Resistance. J. Inorg. Mater., DOI: 10.15541/jim20240256.
内容介绍
在飞机发动机叶片上服役的陶瓷热障涂层，在高温下易受熔融尘粒腐蚀而失效，这种熔融物主要组成为钙镁铝硅酸盐(CMAS)。相比传统的YSZ陶瓷，以Gd2Zr2O7(GZO)为代表的稀土锆酸盐抗CMAS腐蚀性大幅提高，但其存在机械强度差、线膨胀系数低等缺点。将稀土锆酸盐中的单一稀土离子替换为多元，得到完全固溶的单相高熵陶瓷，是改善其综合性能的一种有效途径。
CMAS腐蚀HE-REZ陶瓷机理的示意图
中国科学院理化所李江涛研究员团队报道了成分为(Y0.2Gd0.2Er0.2Yb0.2Lu0.2)2Zr2O7的五元高熵稀土锆酸盐陶瓷，具有单相缺陷萤石型结构。其合成流程是：以氧化物为原料，采用固相反应法在1500 ℃合成单相高熵陶瓷粉体，并依靠200 MPa冷等静压及1650 ℃无压烧结工艺得到相对密度98.6%的块体陶瓷。该高熵陶瓷在1300 ℃的CMAS腐蚀深度，仅为同比条件下7YSZ的2.6%、GZO陶瓷的22.6%，且力学/热学综合性能相比GZO均有提升。结合反应动力学与腐蚀层微观形貌分析表明腐蚀过程受扩散控制，高熵陶瓷的迟滞扩散效应是抗腐蚀性优异的主要原因。该研究结果对于研发综合性能更优异的热障/环障材料有指导价值。
本文亮点
本工作以无压烧结工艺制备了具有良好抗CMAS腐蚀性的(Y0.2Gd0.2Er0.2Yb0.2Lu0.2)2Zr2O7高熵陶瓷，1300 ℃条件下同样时间内的腐蚀深度较之7YSZ陶瓷低两个数量级，比单一稀土组分的GZO陶瓷低一个数量级。且该高熵陶瓷兼具更好的力学、热学综合性能。研究得出了CMAS腐蚀深度随时间变化的规律及反应动力学，进而探讨了腐蚀反应机理。这些结果为开发抗CMAS腐蚀的高性能热障/环障陶瓷材料提供了思路。
论文概览
以不同工艺烧结制备的HE-REZ陶瓷，表现出不同的微观形貌及抗腐蚀性能。本工作合成的HE-REZ陶瓷腐蚀深度仅为7YSZ的2.6%、GZO陶瓷的22.6%，其高温抗CMAS腐蚀性显著优于GZO和7YSZ。
CIP+PLS制备的块体陶瓷同条件CMAS腐蚀深度及Si元素分布
对腐蚀界面各元素EDS面扫描结果显示，CMAS层中贫Zr，陶瓷基体中贫Si，而过渡层中含有大量Si和Zr。CMAS与高熵锆酸盐陶瓷反应后，CMAS中的Ca和Si元素渗入高熵陶瓷表面一定厚度，形成边界明显的腐蚀层；陶瓷基体中的Zr元素扩散较少；大量Y、Gd、Lu等稀土元素从陶瓷向CMAS熔体中溶解扩散，浓度边界不甚清晰。将反应区域局部放大，在过渡层可见两种主要特征晶粒：球状颗粒及六边形针状物。
CMAS腐蚀HE-REZ陶瓷的反应区域微观形貌及对应元素分布
基于稀土离子溶解-扩散-再析出的反应步骤如下：稀土离子从陶瓷向CMAS液相中扩散；生成贫稀土的ZrO2颗粒，液相沿着颗粒间孔隙加速渗入，溶解更多稀土离子；稀土离子在液相中浓度达到饱和，析出六方针状稀土磷灰石相。
该过程发生很快，三个步骤几乎同时进行。特别是在陶瓷与CMAS界面附近的薄层内，稀土离子浓度迅速达到饱和，以至于腐蚀一开始便出现细密的磷灰石结晶。
CMAS与HE-REZ块体陶瓷的反应动力学
同行评议
作者利用固相合成法成功制备了高熵陶瓷粉体，并且利用CIP+PLS工艺成功制备了致密度高达98.6%的陶瓷块体，相较于SPS工艺，此工艺的探索对于快速筛选材料具有很大意义。并且在此基础上，对比传统GZO、7YSZ热障涂层传统材料，探究了此高熵陶瓷的抗CMAS性能以及力学、热学性能。具有很大的工作量，研究也较为系统。
作者简介
通讯作者：李江涛，中国科学院理化技术研究所研究员、博士生导师。主要从事陶瓷材料的燃烧合成理论和制备技术研究，以及基于红外陶瓷的被动辐射冷却新技术应用研究。先后主持了国家自然科学基金重点课题、科技部ITPA人才课题、863重点课题、以及中科院重大科研仪器研制项目等多项课题；发表学术论文300余篇，合作英文专著1部，获国家发明专利30余项。兼任中国科学院大学岗位教授、中国科学技术大学兼职教授。
第一作者：樊文楷，博士研究生，中国科学院理化技术研究所在读。2021年本科毕业于清华大学材料学院，获材料学与工业设计学士双学位。攻读博士学位期间研究方向主要为高性能氧化锆/氧化铝基陶瓷材料，已发表相关方向论文1篇。曾获清华大学新生二等奖学金、清华大学3D打印大赛二等奖。
期刊介绍
《无机材料学报》创刊于 1986 年，主要报道包括结构陶瓷材料、信息功能材料、能源与环境材料、生物材料等方面的最新研究成果 , 设有综述、研究论文和研究快报(英文)版块，目前已被SCI-E、EI、Scopus、CA、CSTPCD、CSCD、CNKI、CJCR等数据库收录，入选 “高质量科技期刊分级目录——材料科学-综合类”T1区和“无机非金属领域高质量科技期刊分级目录” T1区期刊。
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