稀土复合氧化物陶瓷热导率理论及其热物性能

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1、·26·材料导报2008年7月第22卷第7期稀土复合氧化物陶瓷热导率理论及其热物性能’周宏明，易丹青，钟华(中南大学材料科学与工程学院，长沙410083)摘要综述了稀土复合氧化物陶瓷热导率理论的发展情况和热物性能方面的研究现状，介绍了材料热导率的影响因素，分析了材料微结构对热导率的影响，总结了具有AzB2()7通式的烧绿石型和萤石型稀土复合氧化物的热物性能，以及掺杂对其热导率和热膨胀系数的影响。关键词稀土复合氧化物热障涂层热导率理论热物性能掺杂中图分类号：TG174．45文献标识码：AThermalPropertiesandTheoryofTherma

2、lConductivityofRare-earthComplexOxidesCeramicsZHOUHongming，YIDanqing，ZHONGHua(SchoolofMaterialsScienceandEngineering。CentralSouthUniversity．Changsha410083)AbstradTheresearchprogressesintheoriesofthermalconductivityofrare-earthoxidesarereviewed．Thekeyfactorsaffectingthethermalcon

3、ductivityincludingmicrostructureareanalyzed．Thethermalpropertiesofrare-earthcomplexoxideswithpyrochloreandfluoritestructurearesummarizedsystematically，andtheinfluencesofdopingorco-dopinginrare-earthcomplexoxidesOnthethermalconductivityandthermalexpansioncoefficientarediscussed．K

4、eywordsrare-earthcomplexoxides，thermalbarriercoating，theoryofthermalconductivity，thermophysicalproperties，doping0引言进行了综述。稀土元素可以与周期表中其他很多元素形成复合氧化物，其中具有A2岛G化学通式的烧绿石型和萤石型稀土复合氧化物已经因其展现出的独特电学性能而受到广泛的关注[13。而在工程领域，稀土复合氧化物以其高温下的相稳定性和对钚元素的固定能力而应用在两个方面：(1)作为航空发动机燃烧室和涡轮机叶片的热障涂层(TBC)材料，用以保护

5、基体超合金。提高发动机工作温度，从而提升其推重比，以满足下一代飞机对发动机性能的要求[2--4]；(2)在核能领域is-s3用作反应堆堆内材料和核废料处理惰性基体(IM)。对于替代现有8Ysz的热障涂层材料的候选材料，必须满足以下基本的热物性能要求[9]：高熔点、低密度、低热导率，与高温合金热膨胀匹配，在使用温度与室温之间无相变。而作为核反应堆内材料[1⋯，如惰性基体材料、控制棒吸收材料，则要求良好的高温稳定性，抗辐射能力，以及抗热水腐蚀性能；同时还必须具有高的热导率和较高的密度。由此可见，两个领域对适用材料的选择标准各不相同，甚至还出现背道而驰的情况

6、，但两者都将材料的热导率列为重点考虑的参数，因此如何控制稀土复合氧化物的热导率(降低或升高)成为当前研究的热点。本文结合近年来国内外的研究现状，着重论述适用于稀土复合氧化物陶瓷的热导率理论进展及相关研究成果，同时对稀土复合氧化物的其他热物性能及应用1稀土复合氧化物热导率理论1．1声子对热导率的影响热导率是在一个温度梯度内通过声子传输而传递的热量。第一个热导率模型是由德拜运用气体分子动力学原理得出⋯]：Ⅳ：喜G口矗6其中：Ⅳ为材料的热导率；G是材料的定容热容；％是声速；A是声子平均自由程。在稀土复合氧化物中，热传导是通过晶格振动(声子)进行的。声子的平均

7、自由程z(ct，，T)取决于声子的频率(御)和温度(T)，可由式(2)关系描述Dz,ls]：!：!牟—L一-1(23lGo，Dli(cEJ，T)‘乙((cJ)。厶⋯其中：fj(∞，T)为声子在晶体中的固有自由程；厶(∞)为点缺陷对声子的散射；lb为晶界对声子的散射。在高温范围内厶(叫，T)oc∥，lp(∞)。c∥，理论热导率可由式(3)计算L14]：1～／6"1=÷I”c(∞)v／(cc，)如(3)oJ0其中：／c1为材料理论热导率；C(叫)为材料的定容热容；‰为材料的德拜频率；"／3为声子的速度。晶格振动受到晶体中各种相互作用的限制，如图1所示[1引

8、。这些相互作用在格波之间传递能量和建立起热平衡。其中*中国博士后基金项目(2006040026