陶瓷热障涂层的研究现状

　第24卷　第1期 长　春　工　业　大　学　学　报 V ol124　N o.1 2003年3月 JOURNA L OF CH ANG CH UN UNI VERSITY OF TECH NO LOGY Mar12003

文章编号:100622939(2003)0120065203

陶瓷热障涂层的研究现状

①

范希梅1,　林洁琼2,　杜贤昌1

(1.长春工程学院机械工程系,吉林长春　130012;2.长春工业大学机电工程学院,吉林长春　130012)

摘　要:对热障涂层的陶瓷层和结合层结构、等离子喷涂(APS)和电子束物理气相沉积(E B2PVD)制备工艺进行了综述,并介绍了热障涂层失效现象及其失效机理。

关键词:热障涂层;陶瓷层;结合层;APS;E B2PVD

中图分类号:TG174.2 文献标识码:A

随着航空工业的发展,提高航空发动机的高

流量比、高推动比、高进口温度的性能日益迫切,

而现有的高温合金和冷却技术难以满足需要。为

此,在高温合金表面涂覆热障涂层变得极为重要。

热障涂层主要作用是降低了热端部件的工作

温度,防止部件发生高温腐蚀,提高了航空发动机

的操作温度和热效率,降低了排气量,节约了燃

料,延长了工件的使用寿命。

1　热障涂层结构

热障涂层系统是由6%～8%Y2O3部分稳定

的Z rO2的陶瓷表层和MCrAlY(M=Ni,C o,NiC o)

的金属结合底层构成,热障涂层所工作的环境使

得结合层氧化,并形成了一层热生长氧化层。

Z rO2陶瓷层的熔点高,具有良好的高温稳定

性、高温耐腐蚀性和耐磨损性,热导率低,热膨胀

系数大,有良好的抗热循环性能。如在1055℃工

作环境下,涡轮叶片涂上127μm的热障涂层,可

使金属基体的温度降低189℃[1]。陶瓷层越厚,

其温度梯度就越大,有效地保护了基体,但随着厚

度的增加,涂层和基体界面的弹性应变能也增加,

这将导致界面裂纹扩展时能量释放增加,从而使

涂层的结合强度随涂层厚度的增加而下降,涂层

太薄,陶瓷层的隔热效果又不太好,因此,应合理

选择陶瓷层的厚度。Z rO2有3种晶型:单斜相、正

方相、立方相,其转化条件如下[2]:

单斜相1170℃

950℃

正方相

2370℃

立方相

从正方相向单斜相转变,伴随3%～5%的体

积膨胀,并吸收热量11.8k J/m ol,导致了涂层破

坏,为避免在热循环过程中出现相变,Z rO2中必

须加入稳定剂,通常采用Y2O3作为稳定剂,为使

正方相完全稳定,需要17%Y2O3,但是Stecura[3]

对不同含量Y2O3稳定的等离子喷涂Z rO2所作的

热循环显示,完全稳定的Z rO2的抗热循环性能并

不是最好的,在6%～8%时陶瓷层有着最好的涂

层寿命。

除了Y2O3以外,还有用CaO,MgO,T iO,CeO,

Y b2O3,Er2O3,Dy2O3,H fO22Y2O3的稳定剂。早期的

热障涂层主要以CaO,MgO作为相的稳定剂,60年

代时,用CaO和MgO稳定的Z rO2等离子喷涂涂层

就已应用于燃烧室等热端部件上,用于防止热蚀

点的生成以延长工件热疲劳寿命,但后来的使用

及研究发现,以这两种氧化物作为稳定剂的涂层

组织稳定性不好,燃气的硫化作用能使CaO和

MgO从涂层中析出,降低对Z rO2的相稳定作用,

使涂层的热循环寿命降低。目前,在发动机的热

端部件上所应用的热障涂层中,CaO和MgO这两

种稳定剂已基本被Y2O3所替代,未来发展的高性

能热障涂层的研究中,选择更好的Z rO2氧化物稳

定剂,进一步提高热障涂层的抗热循环性能是一

个热点方向。例如:Stecura研究了质量百分比为

8.0%的Y b2O3稳定的Z rO2,发现在同等条件下涂

层的寿命比6.1%Y2O3稳定的Z rO2提高了近

30%[4],Brandon和T aylor研究了抗热腐蚀性能较

①收稿日期:2002206210

作者简介:范希梅(1970-),女,吉林长春人,长春工程学院讲师,吉林大学博士研究生,主要从事激光加工、功能材料方面的研究.

好的Z rO2225wt%CeO热时,发现在1500℃, 100h后,陶瓷仍然保持正方相,在1600℃,100h 后,仅有13%的单斜相生成。

金属结合层主要用于改善涂层与基体的力学性能,同时提供足够的抗环境腐蚀(氧化)能力,一般来说,结合层的厚度在100～200μm左右。

陶瓷层的热膨胀系数为(8～10)×106/℃,而高温合金的膨胀系数为(18～20)×106/℃。两者相差很大,而采用结合层正好形成一种膨胀系数梯度,用以增强附着力。在高温时,结合层中的铝可以和从陶瓷层中扩散来的氧反应形成一层热生长氧化层(Thermally grown oxide),其主要成分为α2 Al2O3,这种氧化膜非常的薄而且致密,对于基体的保护性要好于NiO和Cr2O3,且有更低的氧化速率。这主要是由于氧和铝在α2Al2O3中的扩散速度低,而且Al2O3具有很好的高温稳定性,阻止高温氧化的进一步进行。

目前,常用于作为结合层的合金为MCrAlY (M=Ni,C o,NiC o),这种涂层最早是直接涂覆在工件上,用于提高工件的抗高温氧化性能。Cr提高合金的抗氧化、耐热腐蚀能力;Al用于形成Al2O3氧化膜;Y用于改善TG O和结合层的粘附性,而且能阻止结合层高温氧化的进行,降低结合层的氧化速率[5]。

此外,不同的合金有不同的性能,且适用于不同的高温合金基体。NiCrAlY的抗氧化和腐蚀性能强,对于镍基高温合金的内扩散性能小,适用于燃气腐蚀环境不太恶劣的涡轮机部件。C oCrAlY 的抗硫化性能强,其抗氧化性能不如NiCrAlY,使用的最高温度不能超过900℃,但是美国航空航天局Lewis研究中心认为,在高温下C oO易与Y2O3发生化学反应,因此,它不适于作结合层[6]。NiC oCrAlY的抗氧化和腐蚀性能强,且塑性极好,适用于NiCrAlY抗燃气腐蚀性能不够的涡轮机部件,可添加Si,T a,W,H f,C o,M o,以改善抗氧化腐蚀性能和力学性能。

2　热障涂层的制备

在制备热障涂层时,其工艺过程应有如下的要求:(1)应保证其高速涂着时的经济性;(2)制备高温涂层材料需要的能量源;(3)适用的金属涂层材料以及陶瓷涂层材料;(4)涂层所具有的粘附性高;(5)对于工件的热负荷要小;(6)能涂覆复杂形状的零件。目前,实用的热障涂层的陶瓷层和结合层一般采用等离子喷涂,或电子束物理气沉积方法制备。

E B2PVD电子束制备热障涂层要经过三个步骤:(1)由高能电子枪产生高能电子束,当其射在欲沉积的涂层材料时,动能转变为热能,使涂层材料蒸发汽化;(2)汽化的涂层材料通过稀薄气氛,从靶源输送到基体上;(3)涂层材料的蒸气在基体上冷凝,形成涂层。经过一定时间,工件上形成了一定厚度的涂层(一般在10min内,可沉积0.1～0.2mm厚的涂层)。E B2PVD涂层具有更大的应变容限,而且涂层和基体不再是机械结合,而是化学键结合,涂层的表面粗糙度低,Ra可达到2μm,远小于等离子喷涂涂层的粗糙度(3.2μm左右),具有良好的耐磨性。

3　热障涂层的失效机理

3.1　失效现象

使用中的热障涂层常发生剥离现象,失效开始于陶瓷层和结合层的界面处(此处强度仅为涂层强度的1/4左右),这主要是由于涂层和基体热膨胀系数的不匹配所产生的热应力、结合层的高温氧化所导致的氧化物生长应力、陶瓷表层相变所产生的相变应力和陶瓷表层烧结所产生的应力所引起的。

对于等离子喷涂T BC,裂纹在热生长氧化层(Thermally G rown Oxide)或陶瓷层中产生,但是紧靠在TG O的界面处,这些初始裂纹相互合并,沿着平行于陶瓷层和结合层的界面在陶瓷层中传播,引起的剥离现象就像是在陶瓷层中压应力作用的结果,而E B2PVD失效在TG O和结合层界面处。

等离子喷涂陶瓷层由于处理工艺的多孔性,降低了其断裂韧性,而E B2PVD陶瓷层是由疏松相互接触并垂直于涂层和基体界面的柱状晶组成,因此,E B2PVD涂层在垂直于柱状晶的方向上具有更大的应变容限,与等离子喷涂涂层相比较,对于裂纹生长有更大的阻力。

对于等离子喷涂和电子束物理气沉积制备的热障涂层而言,一般认为有三种裂纹方式:(1)在涂层中的垂直裂纹;(2)在陶瓷层和结合层的水平裂纹;(3)在界面处的剪切剥离。剥离过程为在涂层中首先出现垂直裂纹,然后纵向裂纹出现,最后剥离。在陶瓷层中的垂直裂纹可能增加涂层的应变容限,因此,垂直裂纹不会导致陶瓷层的剥离,

66长　春　工　业　大　学　学　报 第24卷

但陶瓷层和结合层之间出现的纵向裂纹会导致陶瓷层的剥离,因此应尽量避免其出现[7]。3.2　热应力 陶瓷层的热膨胀系数为(8～10)×106/℃,而高温合金的膨胀系数为(18～20)×106/℃,两者相差极大,既使在陶瓷层和高温合金之间加上一层MCrAlY 结合层,其热膨胀系数为13×106/℃,也无法消除热应力,T BC 失效的最主要原因就是由于涂层和基体热膨胀系数的这种不匹配所引起的热疲劳。3.3　高温氧化

由于陶瓷层把环境中的氧和结合层分离开,

所以在氧到达结合层前,氧先进入陶瓷层,再扩散通过陶瓷层到达结合层。

氧进入陶瓷层分为两步:一是氧分子在陶瓷层的表面吸附,并分解成氧原子

1

2O 2

]O 吸附二是吸附在表面的氧原子的离化

O 吸附]O 2-+2P +

由于这是由P 型半导体引起的,每个氧原子均生成两个带负电荷的错配电子,陶瓷层中钇的

电荷数小,造成非离子部分晶格中的空位,这种空位使得已离化的氧能够作高速的运动,称之为陶瓷层的离子导电。

但无论是等离子喷涂制备的T BC ,还是电子束物理气沉积制备的T BC ,缺陷大量存在,使得氧通过APS 形成的相互连接的微裂纹和孔隙形成的弯延迂回的裂纹网或E B 2PVD 形成的柱状晶间隙的扩散,使得在陶瓷层和结合层界面处的氧分压几乎和环境中的氧分压一样,并且Y 2O 3对于氧的扩散充当了优先通道的作用,因此陶瓷层对于氧来说,它是一个良导体。热障涂层的预氧化对

于热障涂层机械性能有致命的影响,会加快T BC

的剥落。一般认为,在热循环温度较低时,涂层的失效源于热应力的大小,而在高温时,结合层的氧化在涂层失效中占有主要的地位。

4　结　论

在高温合金表面涂覆热障涂层是提高航空发动机性能的关键,因此对热障涂层的结构、制备以及失效机理的研究及优化至关重要,这将成为热障涂层未来发展的关键技术。参考文献:

[1]　Meitner P L.Analysis of metal tem perature and coolant

flow with a thermal barrier coating on a full 2coverage 2film 2cooled turbine vane[C].NAS A TP 21310,19781[2]　丁彰雄.热障涂层的研究动态及应用[J ]1中国表面

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[3]　S tecura S.Optimization of the NiCrAl 2Y /Z rO 22Y 2O 3

thermal barrier system[C].NAS A T ech.Mem o.86905,19851

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[5]　徐惠彬,宫声凯,周春根,等1电子束物理气相沉积

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and is othermal oxidation of low pressure plasma sprayed bond coat alloys[J ].Surf.Coat.Technol.,1991,44:44624571

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analysis of plasma sprayed thermal barrier coatings during four 2point bend tests [J ].Surface

and

Coatings

Technology ,2001,139:552621

A Review of Ceramic Thermal Barrier Coatings

FAN X i 2mei 1,　LI N Jie 2qiong 2,　DU X ian 2cang 1

(1.Department of M echanical Engineering ,Changchun Institute of T echnology ,Changchun 130012,China ;2.School of M echatronic Engineering ,Changchun University of T echnology ,Changchun 130012,China )

Abstract :S ome aspects of thermal barrier coatings (T BC )are reviewed.T BCs are com posed of a surface ceramic

coating and an intermediate metallic bond layer ,and are coated on superalloys to im prove its high tem perature performances.The coatings are usually made by APS plasma spray or E B 2PVD (electron beam 2physical vapour deposition )Methods.Finally ,the failure Mechanisms of T BCs are discussed.

K eyw ords :thermal barrier coatings ;ceramic coatings ;bonding layer ;APS ;E B 2PVD.

7

6第1期 范希梅等:陶瓷热障涂层的研究现状

压电陶瓷发电技术研究报告综述

压电陶瓷发电技术的研究 摘要：信息技术的飞速发展并没有带动电源技术的快速发展，电源的能量密度没有明显的提高［1］。虽然化学能电池因使用方便而被广泛使用，但环境污染、回收困难、浪费材料等问题也日益突出。压电陶瓷振动发电机是一种持久、清洁、免维护的新型发电装置，压电陶瓷发电技术的研究已得到广泛重视，在无线传感器网络自供电方面具有较广阔的应用前景。 Abstract: The rapid developme nt of in formatio n tech no logy has n ot led to the progress of power source, an dsupply en ergy den sity is no tsig nifica ntly improved. Although the chemical batteries are widely used, but the disadva ntage that they waste materials, pollute environment and recycle difficulty. Piezoelectric vibration generator is an inno vative type ofpersiste nt, clea n and maintenan ce-free power gen erati on d evice. The research of piezoelectric ceramic tech no logyfor power gen erati on has received wide atte ntio n, which has good prospect of applicati ons in wireless sensorn etworks.

(最新整理)BNT无铅压电陶瓷的制备己进展研究

(完整)BNT无铅压电陶瓷的制备己进展研究 编辑整理： 尊敬的读者朋友们： 这里是精品文档编辑中心，本文档内容是由我和我的同事精心编辑整理后发布的，发布之前我们对文中内容进行仔细校对，但是难免会有疏漏的地方，但是任然希望（(完整)BNT无铅压电陶瓷的制备己进展研究）的内容能够给您的工作和学习带来便利。同时也真诚的希望收到您的建议和反馈，这将是我们进步的源泉，前进的动力。 本文可编辑可修改，如果觉得对您有帮助请收藏以便随时查阅，最后祝您生活愉快业绩进步，以下为(完整)BNT无铅压电陶瓷的制备己进展研究的全部内容。

BNT无铅压电陶瓷的制备及进展研究 摘要:随着社会可持续发展战略的实施和人们环保意识的增强，Bi0.5Na0.5TiO3基无铅压电陶瓷以其良好的电学性能和较高的的居里温度等特点成为当前铁电压电材料及其应用研究的热点之一。本文主要介绍了Bi0.5Na0.5TiO3基无铅压电陶瓷的研究现状、制备工艺及其发展与实际应用。 关键词：BNT基无铅压电陶瓷、制备工艺、研究进展、改性研究. 引言:材料是人类生活和生产活动必需的物质基础，同人类文明密切相关。历史上，人们把材料作为人类进步的里程碑，如“石器时代”、“铜器时代”、“铁器时代”等。到20世纪60年代，人们把材料、信息、能源誉为当代文明的三大支柱；20世纪70年代又把新材料、信息技术、生物技术作为新科技革命的主要标志,现在这些技术仍然是21世纪发展的主导。现代科学技术发展的历史表明，材料对推动科学技术的发展极其重要。随着信息时代的到来，各种具有优异性能的新型无机材料开始受到人们的关注和重视。20世纪80年代以来，随着高科技的兴起和发展，需要许多能满足高科技要求的新材料，其中大部分属于功能材料.因此，材料开发的重点越来越转向功能材料。可以说,研究功能材料的合成与制备、组成与结构、性能与使用效能之间的关系和规律，己经成为一门新的学科. 压电材料是功能材料的重要组成部分，是实现机械能(包括声能)与电能之间转换的重要功能材料，其应用己遍及人类日常生活的各个方面,由于其在信息、激光、导航和生物等高技术领域占有重要的地位，因此对它的研究在无机材料研究领域中非常活跃并具有诱人的前景。压电陶瓷是重要的机一电能量转换材料,其应用领域广泛，在国民经济中占有重要地位。压电陶瓷主要用于声纳(军用）、医疗设备、电视、通讯、导航及自动化.压电驱动器和超声马达构成的灵巧器件，是最近的重要发展方向。2000年，美国Business ComunicationCO。发表了长达174页的压电材料研究发展及市场的调查报告，认为这种材料具有许多重要应用领域及发展前景，并列举出44项新应

热障涂层的制备及其失效的研究现状

收稿日期:2009206201; 修订日期:2009206225 作者简介:邢亚哲(19762 ),陕西岐山人,讲师,博士.研究方向:材料表 面强化及器件制造. Email:x ingyazhe@gm https://www.wendangku.net/doc/938191489.html, 热障涂层的制备及其失效的研究现状 邢亚哲,郝建民 (长安大学材料科学与工程学院,陕西西安710064) 摘要:热障涂层作为航空发动机和燃气轮机高温部件的保护涂层,其抗高温失效能力直接决定了部件的工作效率和寿命。回顾热障涂层的发展历史及研究现状,着重介绍了热障涂层的主要制备方法及其相应涂层的结构特征,综述了各类热障涂层失效的影响因素和失效机理。 关键词:热障涂层;电子束物理气相沉积;等离子喷涂;失效机理 中图分类号:TG174.44 文献标识码:A 文章编号:100028365(2009)0720922204 Re se a rc h Stat us in Fa bric at ion and Fa ilure of The rmal Barrie r Co atings XING Ya 2zhe,HAO Jian 2min (School of Mater ials Science and Engineering,Chang p an University,Xi p an 710064,China) Abst ract:Thermal barrier coatings are widely used to protect the components in aircraft and industrial gas 2turbine engines against high temperature damage.The e ne rgy efficiency and lifetime of these components are mainly dominated by the failure resistance of thermal barrier coatings in the high te mperature atmosphere.In this paper,the development and research status of thermal barrie r coatings are reviewe d.Especially,the main fabricating methods and the microstructure fe ature of the coatings,as well as the factors re sulting in the failure of thermal barrier coatings and its failure mechanisms,are summarized in detail. K e y words:Thermal barrier coatings;Electron beam physical vapor deposition;Plasma Spraying; Fa ilure mechanism 随着现代工业的发展,数以百计种类型的涂层被用在各种结构材料表面,以使这些材料表面免受腐蚀、磨损、侵蚀和高温氧化等危害。热障涂层(T BCs:Thermal Barrier Coatings)就是其中的一种,其具有最复杂的结构且工作在高温环境下,常作为航空发动机和燃气轮机受高温零件的保护涂层,以提高设备的工作温度和效能,同时减少温室气体的排放量。典型的TBCs 在结构上包含四个部分 [1] :1基体,即被保护的 零件;o金属结合层(BC:Bond Coat),通常为高温合金MCrA lY(M 代表Ni 、Co 或NiCo 合金);?热生长氧化物层(T GO:Thermally Grown Oxide),TGO 是在高温条件下外部氧通过T C 层到达BC 层表面并使其氧化而形成的,通常为一致密的Al 2O 3薄膜,在随后的工作过程中能够阻止外部氧向BC 层内部和基体的扩散,起到保护基体(零件)的作用;?陶瓷顶层(TC:Top Coat),一般为6%~8%Y 2O 32Zr O 2(YSZ), 正是由于YSZ 低的热传导率和相对较高的热膨胀系数,使其具有优越的热障和耐热冲击性能。目前,TBCs 研究的难点和重点主要为对其失效的控制[1~4]。为此,对TBCs 微观结构的研究显得尤为重要。而作为控制其微观结构的主要因素,即TBCs 的制备工艺就成了国内外学者们关注的热点。1 基于制备工艺的T BCs 的发展历程 早期在航空航天发动机中应用的TBCs(又称第一代T BCs),其BC 层和TC 层均采用大气等离子喷涂(APS:Atmospheric Plasma Spr aying)制备。对于APS BC 层,涂层含氧量较高,特别是有一定量的氧化镍生成,而氧化镍的存在致使难以形成在高温下具有保护性能的致密TGO 氧化膜,BC 层使用过程中容易在其内部也发生显著氧化而使层内结合弱化,裂纹易在BC 层内扩展而造成涂层剥落失效,使得该类T BCs 寿命较低。 随着低压(又称真空)等离子喷涂(LPPS:Low Pressur e Plasma Spraying)技术的进步和发展,逐步采用VPS 制备BC 层,避免了喷涂过程中高温合金BC 层的氧化,并通过热扩散处理,从根本上强化了BC

无铅压电陶瓷的研究现状与发展前景

无铅压电陶瓷的研究现状与发展前景 Tadashi Takenaka，Hajime Nagata Faculty of Science and Technology，Tokyo University of Science，Y amazaki 2641，Nada， Chiba-ken 278-8510，Japan 摘要：钙钛矿结构的陶瓷和铋层结构BLSF陶瓷因具有优良的绝缘性、铁电性和压电性，成为污染环境的含铅压电陶瓷的良好替代材料。钙钛矿陶瓷广泛应用于高能换能器，具有较高的压电常数d33(>300pC/N)和高的居里温度Tc(>200℃)。采用固相法制备的BaTiO3，即(1-x) BaTiO3-x(Bi0.5K0.5)TiO3[BTBK-100x]陶瓷,Tc随着x的增加而增加。BTBK-20+MnCO30.1wt%陶瓷显示出高的Tc（~200℃），同时机电耦合系数k33=0.35。固相法得到的a Bi0.5Na0.5)TiO3-b BaTiO3-c Bi0.5K0.5)TiO3[BNBK(100a/100b/100c)陶瓷,相对于BNBK(85.2/2.8/12)的d33和Tc 分别为191pC/N和301℃。另一方面，BLSF陶瓷是优良的高温压电传感器和具有高机械品质因数Qm的陶瓷共振器，并且在低温下谐振频繁(Tc-f r)。施主掺杂Bi4Ti3O12的陶瓷例如Bi4Ti3-x Nb x O12[BINT-x]和Bi4Ti3-x V x O12[BIVT-x]表现出高的Tc（~650℃）。BINT-0.08陶瓷初始晶粒的k33值为0.39并在350℃时保持这一值。基于固相体系的Bi3TiTaO9(BTT)Sr x-1Bi4-x Ti2-x Ta x O9[SBTT2(x)](1≤x≤2)在x=1.25的P型半导体中表现出高的Qm值(=13500)。 关键词：铁电性，压电性，钙钛矿，铋层结构铁电体 1. 前言 压电性是电子和机电材料表现出来的重要性质。应用最广泛的压电材料是三元系的PbTiO3-PbZrO3(PZT)。然而，近年来为了环境保护人们期望使用无铅材料。例如，欧盟将在电子和电器设备(WEEE)方面执行立法草案,限制有毒物质(RoHS)的排放和控制生活交通工具(ELF)。因此，无铅压电材料作为PZT陶瓷的替代材料吸引了广泛的注意力。 无铅压电材料，如压电单晶，有钙钛矿结构的铁电陶瓷，以及钨青铜和铋层结构铁电陶瓷(BLSF)已有报道。然而，没有哪种材料显示出优于PZT体系的压电性能。为了替代PZT体系，要求划分和发展各种应用领域的压电性能。例如，钙钛矿陶瓷能够应用于高能态的调节器。另一方面，铋层结构铁电陶瓷(BLSF)可应用于陶瓷过滤和谐振器的可选择材料。 本文将详细介绍钙钛矿铁电陶瓷和BLSF陶瓷的绝缘性、铁电性和压电性，这两种陶瓷是可优先选择并能减少对环境损害的无铅压电材料。

激光制备陶瓷热障涂层的研究和发展_张罡

2000年3月 沈阳工业学院学报 Vol.19No.1第19卷第1期　JO URN AL OF SHENY ANG IN STITU T E OF TECHNO LOGY M ar.2000文章编号:1003-1251(2000)01-0001-07 激光制备陶瓷热障涂层的研究和发展 张　罡1,梁　勇2 (1.沈阳工业学院材料工程系,沈阳110015;2.中国科学院金属研究所) 摘　要:论述了激光制备陶瓷热障涂层的研究和发展状况.激光制备陶 瓷热障涂层包括激光重熔和激光熔覆两种方法.激光重熔等离子喷涂热障 涂层可获得等离子喷涂涂层所不具备的外延生长致密的柱状晶组织,提高 涂层应变容限及热震性能.激光熔覆可获得自动分层的梯度热障涂层成分 及柱状晶组织,改善涂层的高温氧化及热震性能.通过激光工艺参数的优化 及涂层体系成分及性能的合理设计,可获得优于等离子喷涂,接近电子束物 理气相沉积的热障涂层性能. 关键词:热障涂层;激光重熔;激光熔覆;等离子喷涂 中图分类号:TN249;TQ174.75+8.16 文献标识码:A 随着航空燃气涡轮机向高流量比、高推重比、高涡轮进口温度方向发展,燃烧室的燃气温度和燃气压力不断提高,如军用发动机涡轮前温度已达1800℃,预计燃烧室温度将达到2000～2200℃.这样高的温度已超过现有高温合金的熔点,因此必须采用相应措施.除了改进冷却技术外,在高温合金热端部件表面制备热障涂层(TBCs)也是有效手段,它可达到170℃或更高的隔热效果,以满足高性能发动机降低温度梯度、热诱导应力和基体材料服役稳定的要求[1～2]. 热障涂层系统要求涂层不但有良好的隔热效果,而且抗高温氧化及热冲击.针对在腐蚀介质的特殊要求,还要满足高温耐蚀性能.实际应用的热障涂层制备方法主要是等离子喷涂(PS)和电子束-物理气相沉积(EB-PVD)两种方法[3～4]. 等离子喷涂方法主要包括空气等离子喷涂(APS)、真空等离子喷涂(V PS)、低压等离子喷涂(LPPS)等方法.沉积的陶瓷层需要相对粗糙的粘结层表面以得到良好的机械结合;应变容限靠陶瓷层中大量的气孔(气孔率可达20%)和微裂纹获得.抗氧化和热腐蚀性能由粘结层实现. EB-PV D方法在光洁的粘结层表面和正确的涂层涂覆温度条件下,可获得完整、致密的陶瓷层柱状晶组织,陶瓷层与粘结层通过涂层制备时产生热增长氧化层(TGO)以化学键形式连 收稿日期:1999-11-25 基金项目:国防科技重点实验室基金资助项目(ZK0601). 作者简介:张罡,男,37岁,讲师,博士研究生.

热障涂层材料研究进展_周洪

*2005民口配套项目 　周洪:男,1972年生,博士生,讲师,主要从事材料表面技术的研究工作　E -mail :zhouhong @https://www.wendangku.net/doc/938191489.html, 热障涂层材料研究进展* 周　洪,李　飞,何　博,王　俊,孙宝德 (上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室,上海200030) 摘要 简要概述了热障涂层材料的基本要求,介绍了国内外热障涂层材料近年来的研究状况和发展趋势。目前 广泛使用的是Y 2O 3稳定Z rO 2热障陶瓷材料及其粘结层材料,而稀土锆酸盐和稀土氧化物是非常有前景的隔热材料。 关键词 热障涂层　M C rAlY 二氧化锆　 Research Progresses in Materials for Thermal Barrier Coatings ZHO U Hong ,LI Fei ,HE Bo ,WANG Jun ,SUN Baode (T he Sta te K ey Labor atory of M e ta l M at rix Co mpo sitio ns ,Shanghai Jiao tong U niver sity ,Shanghai 200030) A bstract T he rmal bar rie r coating s (T BCs )o ffer the po tential to significantly improve efficiencies of aero en -g ines a s w ell as g as turbine engines fo r po wer generatio n.State -of -the -ar t T BCs ,ty pica lly consisting of an y ttria -stabi -lized zir co nia top coat and a metallic bo nd co at ,hav e bee n widely used to prolong lifetime now adays.In the pape r ,re -sear ch status a nd prog resses o f materials for the rmal bar rie r coating s a re briefly rev iew ed.Except y ttria stabilized zir -co nia ,o ther materials such a s lanthanum zirconate and rar e ear th o xides a re also promising materials for thermal bar rie r co ating s. Key words ther mal bar rier co atings ,M CrA lY ,zir co nia 0　引言 热障涂层(T hermal bar rier coating s ,简称T BCs )通常是指沉积在金属表面、具有良好隔热效果的陶瓷涂层,主要用来降低 基体的工作温度,免受高温氧化、腐蚀、磨损。美国N AS A -Lew is 研究中心为了提高燃气涡轮叶片、火箭发动机的抗高温和耐腐蚀性能,早在20世纪50年代就提出了热障涂层概念。在涂层材料选择和制备工艺上进行较长时间的探索后,80年代初取得了重大突破,为热障涂层的应用奠定了坚实基础。文献表明,目前先进陶瓷热障涂层能在工作环境下降低零件温度170℃左右[1～3]。随着热障涂层在高温发动机热端部件上的应用,人们认识到热障涂层的应用不仅可以达到提高基体抗高温腐蚀能力,进一步提高发动机工作温度的目的,而且可以减少燃油消耗、提高效率、延长热端部件的使用寿命。与开发新型高温合金材料相比,热障涂层的研究成本要低得多,工艺也现实可行[2,4]。 1　热障涂层系统材料体系 高温隔热涂层的研究发展经历了数十年。20世纪60年代研制出β-NiA l 基铝化物涂层,但其脆性大,A l 元素向基体扩散 快,寿命短;之后出现了加入Cr 、Ti 、Si 、Y 、T a 、Pt 等元素改进的铝化物涂层,其中镀Pt 渗Al 形成的铂铝涂层具有较长的寿命。目前普遍使用的热障涂层系统是以M Cr AlY (M =N i ,Co ,Fe ,N i +Co )高温抗氧化合金为中间粘结层,表面覆盖Y 2O 3稳定的Z rO 2陶瓷隔热涂层[5,6]。 1.1　热障涂层陶瓷材料 热障涂层材料需要具有难熔、化学惰性、相稳定和低热导、低密度、高热反射率等重要物理化学特征,同时要考虑其热膨胀 系数与基体材料相匹配。另外,针对高温部件氧化腐蚀的问题,应当考虑低烧结率、界面反应和抗高温氧化腐蚀等因素。 陶瓷材料具有离子键或共价键结构,键能高,因此熔点高、硬度高、化学性能稳定,是热障涂层的理想材料。但韧性、抗疲劳性和抗热震性较差,对应力集中和裂纹敏感。目前使用的热障涂层陶瓷材料多为金属氧化物,这是因为金属氧化物陶瓷的导热以声子传导和光子传导机理为主,热导率较低且其涂层在富氧环境中具有良好的高温稳定性[7]。常用氧化物陶瓷的导热顺序为[8]: BeO >M g O >Al 2O 3>CaO >Z rO 2 常用热障涂层陶瓷材料有Al 2O 3、Z rO 2、SiO 2等,主要性能如表1所示[6,8～10]。 研究表明[1,2,4,9～12],Z rO 2是目前应用广泛、综合性能最好的热障涂层材料。它具有高熔点、耐高温氧化、良好的高温化学稳定性、较低且稳定的热传导率和优良的抗热震性等特性,并且热膨胀系数接近金属材料。纯Zr O 2具有同素异晶转变,常温下稳定相为单斜结构;高温下稳定相则为立方结构: 单斜相(m ) 1170℃950℃ 正方相(t )2370℃ 立方相(c ) 单斜相与四方相间转化因伴有3%～6%的体积分数变化而导致热应力产生,因此,使用纯Z rO 2制备的热障涂层不稳定。为避免这个缺点,可采用M gO 、CaO 、CeO 2、Sc 2O 3、In 2O 3、Y 2O 3等氧化物来稳定Z rO 2,起到相变增韧的效果[8]。最早使用的是22%M gO 完全稳定的Zr O 2,在热循环过程中M gO 会从固溶体中析出,使涂层热导率提高,降低了涂层的隔热性能。CaO 对Zr O 2的稳定也不好,在燃气的硫化作用下,CaO 从涂层

【CN109811338A】一种激光增材制造热障涂层材料的方法【专利】

(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910275801.1 (22)申请日 2019.04.08 (71)申请人 大连理工大学 地址 116024 辽宁省大连市甘井子区凌工 路2号 (72)发明人 吴东江　刘妮　牛方勇　马广义　 余超　散俊德　 (74)专利代理机构 大连理工大学专利中心 21200 代理人 李晓亮　潘迅 (51)Int.Cl. C23C 24/10(2006.01) B22F 3/105(2006.01) B33Y 10/00(2015.01) B33Y 30/00(2015.01) B33Y 70/00(2015.01) (54)发明名称一种激光增材制造热障涂层材料的方法(57)摘要本发明提供一种激光增材制造热障涂层材料的方法，属于增材制造领域。该方法主要是采用激光直接沉积技术在NiCrAlY基体中混入不同含量的Al 2O 3增强基体性能。主要步骤包括：步骤A，调整送粉器送粉速率使Al 2O 3占二者混合粉末质量分数范围为5％～25％；步骤B，调整工艺条件，确定NiCrAlY送粉速率为1.5～2g/min，调整激光扫描速度100～400mm/min。步骤C，实际成形，成形不同结构件时工艺参数需要进行相应调整。本发明采用Al 2O 3增强NiCrAlY基体，提高金属基体的耐磨性并且一定程度上提高金属基体的综合力学性能，降低NiCrAlY的摩擦系数。另外，本发明采用激光增材制造技术相比于等离子喷涂等方法可以灵活的控制粉末的比例，实现两种粉末不同比例混合成形，而且成形组织致密， 层间结合力良好。权利要求书1页 说明书3页 附图1页CN 109811338 A 2019.05.28 C N 109811338 A

压电陶瓷应用研究进展

压电陶瓷应用研究进展 程院莲,鲍 鸿,李 军,李小亚 (广东工业大学自动化学院,广东广州510090) 摘 要:阐述了压电陶瓷在振子、换能器及光电等方面的应用及近年来所取得的最新成果;给出了具体的最新应用实例。 关键词:压电陶瓷;超声换能器;压电驱动器 中图分类号:TN712+ 5 文献标识码:A 文章编号:1672-4984(2005)02-0012-03 Research progress in applications of piezoelectric ceramic C HENG Yuan -lian,BAO Hong,LI Jun,LI Xiao -ya (College of Automation,Guangdong University of Technology,Guangzhou 510090,China) Abstract:The applications to the aspects such as piezoelectric resonators ,piezoelectric transducer,photo devices,and the newest research outcomes made in the recent years are expounded,some newest application examples are also given Key words:Piezoelectric ceramic;Ultrasonic transducer;Piezoactuator 收稿日期:2004-06-09;收到修改稿日期:2004-08-17基金项目:广东省教育厅科研基金项目资助(030058)作者简介:程院莲(1978-),女,硕士研究生,主要从事检测技术与自动化装置研究。 1 引 言 压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料,它具有压电效应。所谓压电效应是指由应力诱导出极化(或电场),或由电场诱导出应力(或应变)的现象,前者为正压电效应,后者为负压电效应,两者统称为压电效应。目前为止,压电陶瓷的这种压电效应已被应用到与人们生活密切相关的许多领域,遍及工业、军事、医疗卫生、日常生活等。可见压电陶瓷应用的研究意义非常重大。随着新工艺和新材料的出现,压电陶瓷应用日新月异,本文描述了一些压电陶瓷新应用成果。 2 压电陶瓷的广泛应用 压电陶瓷的应用十分广泛。大体说来,可分为频率控制、换能传感和光电器件等方面。2 1 压电陶瓷频率控制器件 压电频率控制器件有滤波器、谐振器和延迟线等,这类器件使用于道倍机、微机、彩电延迟电路等中。压电陶瓷片(压电振子)在外加交变电压作用下,会产生一定频率的机械振动。在一般情况下这种振动的振幅很小,但是当所加电压的频率与压电 振子的固有机械振动频率相同时会引起共振,振幅 大大增加。这时,交变电场通过逆压电效应产生应变,而应变又通过正压电效应产生电流,电能和机械能最大限度地互相转换,形成振荡。利用压电振子这一特点,可以制造各种滤波器、谐振器等,其频率稳定性好,精度高,适用频率范围宽,体积小,不吸潮,寿命长,特别是在多路通信设备中能提高抗干扰性,所以目前已取代了相当大一部份电磁振荡器和滤波器,而且这一趋势还在不断发展中。2 2 压电换能器及传感器 压电陶瓷在交变电场作用下,会产生伸缩振动,从而向介质中发射声波。当交变电场的频率与压电陶瓷的固有机械频率相近时会产生共振,它能发出很强的超声波振动。因而可利用所产生的高强度超声波来改变物质的性质和状态,如超声清洗、超声乳化以及制作各种超声切割器、焊接装置及烙铁,对塑料甚至金属进行加工等。压电晶体产生的超声波在介质中传播,遇到障碍物时,大部分声能被折回形成回波,回波再被压电晶体接收转变成电信号,电信号的幅度与给定频率下的声信号的幅度成比例。根据此电信号的各种参量,可以进行超声医疗,对金属进行无损探测以及探测水下物体等。其中把声能转换为电能的换能器叫作接收器或水听器;把电能转换为声能的换能器叫作发射器。声纳就是这方面的一个广泛应用,有些声纳用同一只换能器来发射和接收声音;另一些则使用分开的发射器和水听器。其 第31卷第2期 2005年3月中国测试技术 C HINA MEASUREME NT TECHNOLOGY Vol 31 No 2Mar,2005

先进热障涂层的综述

关于先进热障涂层的综述 摘要：在过去的几十年中，许多陶瓷材料都被作为新型的热障涂层材料，其中很大一部分都是氧化物。由于它独特的性能，这些新型化合物很难与最先进的热障涂层材料YSZ相媲美。另一方面，由于YSZ有一些缺点，尤其是在1200℃以上时它有限的高温性能使得在先进的燃气轮机中YSZ被其他材料所取代。 本篇文献是对不同新型涂层材料的综述，尤其是参杂氧化锆、烧绿石、钙钛矿和氯酸盐等材料。文献的结果还有由我们的研究调查得出的结果都将同我们的要求相比较。最终，我们将讨论双层结构这个概念。它是一种克服新型热障涂层材料冲击韧性的方法 关键词：热障涂层、氧化锆、烧绿石、钙钛矿、氯酸盐、热导率 一、简介 TBC系统是典型的双层式结构，它包括金属粘结层和陶瓷顶层。粘结层是保护基层氧化和腐蚀的并有改善陶瓷层和基层之间结合强度的作用。陶瓷顶层相比金属机体而言拥有很低的热传导率，通过内冷发陶瓷层可以实现一个很大的温差度（几百K）。因此，它既可以降低金属基体的温度以提高部件的使用寿命又可以提高涡轮发动机的点火温度来提高它的工作效率。 自19世纪50年代第一个军用发动机搪瓷涂层的制造起热障涂层开始了工业化发展。在19世纪60年代，第一个带有NiAl粘结层的火焰喷涂陶瓷涂层应用于商业航空发动机上。接下来的几十年中，热障涂层材料和喷涂技术持续的发展。19世纪80年代热障涂层迅猛发展。在这十年中，氧化钇稳定的氧化锆（YSZ）被认为是一种特殊的陶瓷顶层材料，因为它作为一个近30年来的标准而被确立。 根据沉积工艺的不同，已经确立了两种不同的方法。一种是电子束物理气相沉积（EB-PVD），另一种是大气等离子喷涂（APS）。电子束物理气相沉积法制备的涂层拥有柱状显微结构并被广泛应用于航空发动机的高热机械载荷叶片中。同电子束物理气相沉积法相比，大气等离子喷涂以它的操作粗放度及经济可行性为傲，因此现在更多的TBC 采用这种方法。典型静态部件，像燃烧器罐和叶片平台都是用APS进行喷涂。在固定的燃气轮机中，其叶片也常使用热喷涂的方法进行喷涂。 燃气涡轮机效率的进一步提升有赖于燃烧及冷却技术的进步与更高的涡轮机入口温度相结合。这意味着由于在高温下烧结和相转变，标准材料YSZ必然会接近它的极限。 由EB-PVD和APS方法加工的YSZ包含亚稳态的T`相。长时间处于高温下，它能够

无铅压电陶瓷材料的研究现状

龙源期刊网 https://www.wendangku.net/doc/938191489.html, 无铅压电陶瓷材料的研究现状 作者：吴思华王平付鹏 来源：《佛山陶瓷》2008年第02期 摘要本文综述了近年来国内外无铅压电陶瓷材料方面的研究进展，重点介绍了钛酸钡 基、铋层状结构、钛酸铋钠基、碱金属铌酸盐系以及钨青铜结构无铅压电陶瓷体系的研究现状，并对无铅压电陶瓷的发展作了展望。 关键词无铅压电陶瓷，铋层状结构，钛酸铋钠基，钨青铜结构 1引言 随着社会可持续发展战略的实施和人们环保意识的增强，无铅压电陶瓷材料的研究和应用更日益引起人们的关注。压电陶瓷被广泛应用于通信、家电、航空、探测和计算机等诸多领域，是最重要的电子材料之一，然而，目前使用的压电陶瓷材料仍是含铅的，其中铅基压电陶瓷中氧化铅约占原材料总量的70%，由于氧化铅是一种易挥发的有毒物质，在生产过程中，氧化铅粉尘以及高温合成或烧结过程中挥发出来的氧化铅极易造成环境污染，在使用和废弃后的处理过程中也会给人类及生态环境造成严重危害。于是近年来，为了保护人类及生态环境，许多国家都在酝酿立法禁止使用含铅的压电陶瓷材料，因此，开发无铅基的环境协调性（绿色）压电陶瓷材料是一项紧迫而具有重要科学意义的课题。 近年来，国内外研究的无铅压电陶瓷体系主要有：钛酸钡基、铋层状结构、钛酸铋钠基、碱金属铌酸盐系及钨青铜结构无铅压电陶瓷。 2钛酸钡基无铅压电陶瓷 钛酸钡（BaTiO3）是最早发现的典型无铅压电材料，其居里温度较低，工作温度范围较窄，压电性能属于中等水平，难以通过掺杂改性来大幅度改善其压电性能,且在室温附近存在 相变，所以其在压电方面的应用受到限制。目前，BaTiO3基无铅压电陶瓷体系主要有：（1）（1-x）BaTiO3-xABO3(A=Ba、Ca等；B=Zr、Sn、Hf、Ce等)； （2） (1-x）BaTiO3-xA′B′O3（A′=K、Na等；B′=Nb、Ta等）；

电子工程师必备知识

电子工程师的设计经验笔记(经典) 关键字：电子工程师设计经验 电子工程师必备基础知识(一) 运算放大器通过简单的外围元件，在模拟电路和数字电路中得到非常广泛的应用。运算放大器有好些个型号，在详细的性能参数上有几个差别，但原理和应用方法一样。 运算放大器通常有两个输入端，即正向输入端和反向输入端，有且只有一个输出端。部分运算放大器除了两个输入和一个输出外，还有几个改善性能的补偿引脚。 光敏电阻的阻值随着光线强弱的变化而明显的变化。所以，能够用来制作智能窗帘、路灯自动开关、照相机快门时间自动调节器等。 干簧管是能够通过磁场来控制电路通断的电子元件。干簧管内部由软磁金属簧片组成，在有磁场的情况，金属簧片能够聚集磁力线并使受到力的作用，从而达到接通或断开的作用。 更多阅读：电容性负载的稳定性—具有双通道反馈的RISO(1) 电子工程师必备基础知识(二) 电容的作用用三个字来说：“充放电。”不要小看这三个字，就因为这三个字，电容能够通过交流电，隔断直流电;通高频交流电，阻碍低频交流电。 电容的作用如果用八个字来说那就：“隔直通交，通高阻低。”这八个字是根据“充放电”三个字得出来的，不理解没关系，先死记硬背住。 能够根据直流电源输出电流的大小和后级(电路或产品)对电源的要求来先择滤波电容，通常情况下，每1安培电流对应1000UF-4700UF是比较合适的。 电子工程师必备基础知识(三) 电感的作用用四个字来说：“电磁转换。”不要小看这四个字，就因为这四个字，电感能够隔断交流电，通过直流电;通低频交流电，阻碍高频交流电。电感的作用再用八个字来说那就：“隔交通直，通低阻高。”这八个字是根据“电磁转换”三个字得出来的。

PZT压电陶瓷国内外发展现状及趋势

PZT压电陶瓷国内外发展现状及趋势 摘要：PZT压电陶瓷是目前最有效地实现机械能与电能的转换的陶瓷，所以在现代工业上有着广泛的应用。本文对压电陶瓷的发展现状及制作流程进行了介绍，以及对复合、无铅压电陶瓷发展趋势作出简要的预测。 关键词：压电陶瓷，发展状况，制作流程，趋势，复合材料，无铅 前言 压电陶瓷作为功能陶瓷的重要组成部分，在19世纪80年代，居里兄弟发现压电效应后，得到了迅速的研究及发展。目前具有压电效应的研究在三个方面：压电陶瓷、压电高分子、压电晶体，最具有压电效应的是压电陶瓷。压电陶瓷作为一种重要的力、热、电、光敏感性强的功能材料，已经在传感器、超声换能器、微位移器和其它电子元器件等方面得到了广泛的应用。并且因其低成本、高压电转换的优点，随着加工工艺的进步及优化，它在航空航天、电子、信息等高科技方面有着很高的研究及应用价值。 1、压电陶瓷的基本原理及概念 压电效应，顾名思义是压电陶瓷所特有的性质，在某些电介质上加载负荷后，使其电荷产生极化现象，在其表面正负电荷分离；当去除外力后，极化现象不消失，称为正压电效应；相反，当在电介质的极化方向上施加电场，电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的

变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。 晶体构造上不存在对称中心是产生压电效应的必要条件。当没有外力作用时晶体的正反电荷中心重合，晶体对外不显极化，单位体积中的电偶极矩为零，因而表面净电荷为零。但是当晶体沿某一方向加载机械力时，晶体发生形变时，正负电荷中心分离，晶体就对外呈现极化。对于有对称中心的电介质无论有无外力作用都不可能发生压电效应。 在压电陶瓷中，综合性能最好的为1954年美国贾菲等人发现的PbZrO3—PbTiO3(PZT)系固溶体系统,占压电陶瓷总产量的70%。纯的PbZrO3和PbTiO3的熔融温度均在1573K以上，但含杂质的PbZrO3与PbTiO3的熔融温度远比纯的低。由液相冷却可形成Pb(Ti，Zr)O3。固溶体．冷却温度在居里温度以上时，其结构为立方晶系钙钛矿型，到居里温度时发生相变并发生自发极化转成铁电相。PZT的晶格常数随组成的不同而不同，在四方铁电相区域，随着PbZrO3含量的增加a(=b)轴显著增大，c轴稍有缩短，晶胞体积增大，使得它有良好的机电耦合系数和机械品质因素。此后，研究者们利用掺杂的办法利用三元系不断改进其压电性能。 机电耦合系数：压电振子在振动过程中，将机械能转变为电能，或将电能转变为机械能，这种表示能量相互变换的程度用机电耦合系数表示，即：k33=E c/E e.通常用K33表示。 机械品质因数：压电振子在谐振时贮存的机械能与在一个振动周期内损耗的机械能之比称为机械品质因数，它是一个无因次的物理

压电陶瓷测量基本知识

压电陶瓷及其测量原理 近年来，压电陶瓷的研究发展迅速，取得一系列重大成果，应用范围不断扩大，已深入到国民经济和尖端技术的各个方面中，成为不可或缺的现代化工业材料之一。由于压电材料的各向异性，每一项性能参数在不同的方向所表现出的数值不同，这就使得压电陶瓷材料的性能参数比一般各向同性的介质材料多得多。同时，压电陶瓷的众多的性能参数也是它广泛应用的重要基础。 （一）压电陶瓷的主要性能及参数 （1）压电效应与压电陶瓷 在没有对称中心的晶体上施加压力、张力或切向力时，则发生与应力成比例的介质极化，同时在晶体两端将出现正负电荷，这一现象称为正压电效应；反之，在晶体上施加电场时，则将产生与电场强度成比例的变形或机械应力，这一现象称为逆压电效应。这两种正、逆压电效应统称为压电效应。晶体是否出现压电效应由构成晶体的原子和离子的排列方式，即晶体的对称性所决定。在声波测井仪器中，发射探头利用的是正压电效应，接收探头利用的是逆压电效应。 （2）压电陶瓷的主要参数 1 、介质损耗 介质损耗是包括压电陶瓷在内的任何电介质的重要品质指标之一。在交变电场下，电介质所积蓄的电荷有两种分量：一种是有功部分（同相），由电导过程所引起；另一种为无功部分（异相），由介质弛豫过程所引起。介质损耗是异相分量与同相分量的比值，如图 1 所示，I C为同相分量，I R为异相分量，I C与总电流I的夹角为，其正切值为

2、机械品质因数 机械品质因数是描述压电陶瓷在机械振动时， 材料内部能量消耗程度的一个参数， 它也是衡 量压电陶瓷材料性能的一个重要参数。 机械品质因数越大， 能量的损耗越小。产生能量损耗 的原因在于材料的内部摩擦。机械品质因数 Q m 的定义为: 谐振时振子储存的机械能 c Qm 谐振时振子每周所 损失的机械能 2 兀 机械品质因数可根据等效电路计算而得 式中 R 1为等效电阻 （Q ） , s 为串联谐振角频率（Hz ）, C 1为振子谐振时的等效电容 （F ），L 1为振子谐振时的等效电感。 Q m 与其它参数之间的关系将在后续详细推导。 不同的压电器件对压电陶瓷材料的 Q m 值的要求不同，在大多数的场合下（包括声波 测井的压电陶瓷探头），压电陶瓷器件要求压电陶瓷的 Q m 值要高。 3、压电常数 压电陶瓷具有压电性， 即在其外部施加应力时能产生额外的电荷。 其产生的电荷与施加 tan 1 CR 其中3为交变电场的角频率, R 为损耗电阻，C 为介质电容。 s R 1C 1 s L 1 图1交流电路中电压-电流矢量图（有损耗时）

陶瓷热障涂层在石油化工行业中的应用

第１５卷第１期２００７年３月 北京石油化工学院学报 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＢｅｉｊｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆ Ｐｅｔｒｏ—ｃｈｅｍｉｃａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖ０１．１５Ｎｏ．１ Ｍａｒ．２００７ 陶瓷热障涂层在石油化工行业中的应用＊ 吕涛１丁芝琴２陈飞１ （１北京石油化工学院装备技术研究所，北京１０２６１７；２榆林学院，陕西７１９０００） 摘要热障涂层（ＴＢＣ）是一种陶瓷涂层，它沉积于耐高温金属或超合金表面，用于保护基底材料，使得用其制成的设备部件能在高温下运行。热障涂层能够阻止外部环境的热量向基体金属传递，提高基体的工作温度，并达到隔热、抗氧化、防腐蚀的目的。石油化工行业有许多操作温度很高的设备，在这些设备的高温部件应用热障涂层，不仅可以使设备的制造成本降低、生产效率提高，而且设备庞大的体积也将相应的减小。 关键词热障涂层；应用；石油化工 中图法分类号ＴＧｌ７２．４２８ 热障涂层由于具有低热导率和很低的温度敏感特性，最初应用于航空领域飞机发动机涡轮叶片上，如今已广泛地应用于其他操作温度很高的领域中。例如，石油加工过程中腐蚀成分复杂，腐蚀破坏形式多，为了延长设备的寿命和保证生产装置的长周期运行，采用缓蚀技术是行之有效的方法，但大多数缓蚀剂只能在２５０℃以下使用，温度超过这一范围缓蚀剂就会分解失效，所以对于石油化工行业中设备的高温腐蚀部件，喷涂一层陶瓷热障涂层可以显著提高设备的使用寿命。 １热障涂层的结构和作用 热障涂层主要包括双层系统、多层系统和梯度系统３种结构形式。这３种结构形式各有特点，不同的环境要求，可以采用不同结构体系。 目前多数实际用的热障涂层都采用双层结构，如图１所示，表层是以ＺｒＯ。为主的陶瓷层，起隔热作用；陶瓷层与基体之间为ＭＣｒＡｌＹ粘结层（Ｍ为过渡族金属Ｎｉ、Ｃｏ或Ｎｉ与Ｃｏ的混合），起改善基体与陶瓷涂层物理相容性和抗氧化腐蚀的作用。双层结构制备工艺相对简 收稿日期：２００６—０５—１２ ＊北京市教委科技发展计划项目，项目号：５０４０２０２１４０。单、耐热能力强。因此，针对发动机叶片用的热障涂层以双层结构热障涂层为主。但由于涂层热膨胀系数在界面跃变较大，在热载荷下，将在涂层内积聚较大的应力，因此抗热震性难以得到进一步提高。 鬟黼滋㈣ 心沁心沁心沁心沁心沁心 钐黝 冷却气流一甚 图１典型双层结构的热障涂层 基体＋粘结层＋陶瓷涂层的双层结构具有简单易行的特点，但不能彻底解决粘结层和陶瓷层之间的热性能不匹配所带来的热应力和涂层剥落的问题。因此在这基础上发展了多层结构系统，多层结构中的扩散阻碍层可防止陶瓷层与粘结层之间的金属元素相互扩散，避免涂层性能下降。图２表示了一种多层热障涂层体系，其每一层都具有各自的特定功能，外层的封闭层和阻挡层主要用于阻挡燃气腐蚀产物ＳＯ。，ＳＯ：，Ｖ。Ｏ。的侵蚀，氧阻挡层则用于降低氧原子进一步向涂层内扩散的速率。多层体系 万方数据

高温压电陶瓷材料研究进展

CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS 2008年第27卷第1期 ·16· 化 工 进 展 高温压电陶瓷材料研究进展 李庆利，曹建新，赵丽媛，吕剑明，范冠锋 （贵州大学化学工程学院，贵州 贵阳 550003） 摘 要：随着高新技术的迅速发展，对压电器件工作温度的要求越来越高，因此高温压电陶瓷材料成为近几年研究的热点之一。介绍了国内外学者对钙钛矿结构、钨青铜结构和铋层状结构压电陶瓷进行改性，获得一系列高温压电陶瓷材料的研究现状。展望了高温压电陶瓷材料的发展前景，并对其今后的研究方向提出了建议。 关键词：高温压电陶瓷；改性；钙钛矿结构；钨青铜结构；铋层状结构 中图分类号：TM 282 文献标识码：A 文章编号：1000–6613（2008）01–0016–05 Research progress in high temperature piezoceramics LI Qingli ，CAO Jianxin ，ZHAO Liyuan ，Lü Jianming ，F AN Guanfeng (College of Chemical Engineering ，Guizhou University ，Guiyang 550003，Guizhou ，China) Abstract ：Along with the rapid development of high-technology ，the operation temperature of piezoelectric devices are getting higher and higher ，consequently ，the high temperature piezoceramics has become one of the research focuses of piezoceramics. In this paper ，the research status of modified perovskite ，tungsten bronze and bismuth layer structure of high temperature piezoceramics is introduced. The prospect of the high temperature piezoceramics is presented ，and suggestions for its future research are made. Key words ：high temperature piezoceramics ；modification ；perovskite structure ；tungsten bronze structure ；Bi-layer structure 作为一种新型功能材料，高温压电陶瓷被广泛应用于航空航天、核能、冶金、石油化工、地质勘探等许多特殊领域。但是，目前商业化应用的锆钛酸铅体系压电陶瓷的居里温度一般在250～380 ℃，由于热激活老化过程，其安全使用温度被限制在居里温度的1/2处。压电性能优良，使用温度低于400 ℃的高温压电陶瓷材料已经不能满足当前高新技术发展的要求。此外，商用高温传感器所采用的压电材料仅限于LiNbO 3等单晶材料，生产工艺复杂，价格极其昂贵，而且国内目前尚无性能优良、使用温度高于350 ℃的高温压电陶瓷传感器产品，国外对这类器件的研究 报道也很少[1－ 4]。因此，高温压电陶瓷材料成为近几年来研究的热点，各种新成果、新技术不断涌现。本文综述了高温压电陶瓷材料的最新研究进展。 1 钙钛矿结构高温压电陶瓷材料 2.1 改性钛酸铅压电陶瓷 纯钛酸铅在常温下为四方钙钛矿型结构，介电 常数小，压电性能高，压电各向异性大，居里温度 高（T C =490 ℃） ，因而适于在高温下工作。但是，由于纯钛酸铅陶瓷难以烧结，当晶体冷却通过居里点时，在内应力作用下易自行开裂；大的轴向比率使得其矫顽场大，难以极化。为此，很多研究者采用掺杂形成固熔体的方法来解决这一问题，并取得 了较好的研究成果（见表1[5－ 12]） 。 宴伯武等[5]选用居里点较高的复合钙钛矿型化 合物Pb (Cd 4/9Nb 2/9W 3/9 )O 3（T C =495 ℃）对PbTiO 3进行B 位取代，并掺杂适量MnO 2抑制晶粒的过分生长，以形成均匀细密的内部结构，制备了0.2PCNW-0.8PT-x MnO 2陶瓷。这种陶瓷材料在 x =1.0%时，系统k t 可达0.45， T C ≥480℃，T 33ε在200收稿日期：2007–07–13；修改稿日期：2007–08–13。 基金项目：贵州省优秀科技教育人才省长专项基金（2005-111）及贵州省科技攻关计划项目［黔科合GY 字（2006）3030］。 第一作者简介：李庆利（1981—），男，硕士研究生。E –mail pie_ql@https://www.wendangku.net/doc/938191489.html, 。联系人：曹建新，教授，硕士生导师，主要从事高性能无机材料研究。电话 0851–4733010；E –mail jxcao@https://www.wendangku.net/doc/938191489.html, 。