稀土钽酸盐主要有RETaO4、RE3TaO7和RETa3O9三种,目前比较集中于材料晶体结构、磁性和发光性能等方面的研究,而关于其作为热障涂层的研究较少。加州大学圣塔芭芭拉分校的Pitek 课题组指出YTaO4的使用温度可以达到1500℃,相关文献报道其在800℃时的热导率为1.5W/(m·K),且随温度的升高而降低。Feng等通过第一性原理和Landau自由能膨胀相结合的方法研究了YTaO4的四方晶型和单斜晶型之间的高温相变,结果表明单斜相可在室温下稳定存在,并在1430℃时转变为四方相,接近实验值(1426±7)℃;另外,四方-单斜相转变是二阶铁弹性相变,几乎没有相变体积差导致的微裂纹产生或扩张。冯晶等以Sm2O3、Sc2O3和Ta2O5为原料制备了一种致密度高于98%的SmTaO4-ScTaO4两相稀土钽酸盐陶瓷,发现当温度为800℃时,陶瓷的热导率降至1.5W/(m·K),当温度为1200℃时,材料的热膨胀系数可增至8.9×10-6K-1,证明该体系作为热障涂层使用可达到良好的隔热效果,而且可在一定程度上解决涂层与基体之间的热适配应力问题。
研究表明RE3TaO7存在两种晶体结构:小离子半径稀土离子形成的缺陷萤石型结构和大离子半径稀土离子形成的焦绿石结构。阴离子空位作为一种特殊的晶格缺陷能够显著增强非简谐声子散射,造成RE3TaO7声子平均自由程减小,热导率大幅降低。掺杂则可以引入大量缺陷,扰乱基体晶格的有序性,增加声子散射,软化晶格,降低热导率,提高热膨胀系数。Zhang通过固相反应法制得具有典型缺陷萤石型结构的Sm2YbTaO7和Sm2YTaO7其在1200℃的高温下仍能保持稳定的相结构,两者在1000℃时的热导率分别为0.36W/(m·K)和0.48W(m·K),远低于YSZ,热膨胀系数分别为10.0×10-6K-1和10.3×10-6K-1,与YSZ相近,在TBCs方向具有巨大的应用潜力。
RETa3O9的晶体结构为缺陷钙钛矿型,目前关于该材料的研究主要集中在磁性方向。文献报道RETa3O9的热膨胀系数为4.09×10-6~10.2×10-6K-1,热导率最低为1.3W/(m·K),但随温度的升高而升高,不满足热障涂层的使用条件,因此鲜有其在TBCs方向的研究与应用。
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