本书封面
本书简介
热障涂层新材料和新结构
作者：曹学强 著
出版时间：2016年版
丛编项： “十二五”国家重点图书出版规划项目材料科学技术著作丛书
热障涂层利用陶瓷的隔热和抗腐蚀的特点来保护金属材料，不仅可以提高油料的燃烧效率，而且可以极大地延长发动机的寿命，在航空、航天、海面船舶、大型火力发电和汽车动力等方面都有重要的应用价值，是现代国防尖端技术领域中最重要的技术之一。本书讨论了经典的热障涂层材料YSZ的性质和制备方法，还从材料化学的角度对热障涂层材料的设计、选择和改性提出新的思想，侧重介绍了热障涂层材料的发展方向和**的研究成果，基本反应了国内外在热障涂层新材料方面的科学前沿和热点。稀土氧化物双陶瓷层是未来发展使用温度超过1523K的热障涂层的**途径之一。
本书目录
序
前言
第1章热障涂层概述1
1.1燃气轮机的工作原理及其构造材料5
1.1.1燃气轮机的工作原理7
1.1.2燃气轮机的构造材料7
1.2镍基高温合金11
1.2.1镍基高温合金的组成和结构13
1.2.2镍基高温合金的热膨胀性质20
1.2.3镍基高温合金的抗氧化性20
1.3热障涂层原理22
1.3.1无机涂层25
1.3.2热障涂层28
1.3.3热障涂层模型29
1.3.4热障涂层的失效机理42
1.3.5热障涂层的热、力学性质44
1.3.6热障涂层热循环寿命的评价44
1.4热障涂层的制备方法45
1.4.1热喷涂54
1.4.2等离子喷涂60
1.4.3电子束-物理气相沉积62
1.4.4PS和EB-PVD涂层性能的比较64
1.4.5热障涂层的其他制备方法64
1.5稀土元素的特性65
1.5.1稀土元素在军事上的应用67
1.5.2稀土元素的电子结构71
1.5.3稀土氧化物74
1.6热障涂层材料75
1.6.1YSZ75
1.6.2莫来石76
1.6.3Al2O376
1.6.4CeO2+YSZ77
1.6.5La2Zr2O777
1.6.6硅酸盐77
1.6.7稀土氧化物77
1.6.8金属-玻璃复合材料78
1.6.9石榴石78
1.6.10钙钛矿79
1.6.11六铝酸盐79
1.6.12(Ca1-xMgx)Zr4(PO4)679
1.6.13RPO4（R=La，Ce)80
1.6.14其他材料81
1.6.15热障涂层材料的发展趋势93
参考文献93
第2章热障涂层材料的合成93
2.1概述94
2.1.1粉末性质的表征95
2.1.2粉末的制备方法95
2.2陶瓷粉末的制备102
2.2.1固相合成117
2.2.2纳米粉末123
2.3陶瓷粉末的加工技术123
2.4陶瓷粉末的喷雾造粒124
2.4.1喷雾干燥原理151
2.4.2喷雾干燥过程151
2.5陶瓷靶材的加工技术153
2.5.1靶材的基本要求156
2.5.2靶材的制备过程161
参考文献161
第3章氧化锆基热障涂层材料161
3.1氧化锆的晶体结构和相变164
3.1.1氧化锆的晶体结构183
3.1.2氧化锆相变的影响因素183
3.2氧化锆增韧陶瓷186
3.2.1氧化锆的增韧原理189
3.2.2氧化锆增韧陶瓷190
3.3氧化锆的重要应用192
3.3.1氧化锆高强高韧结构材料197
3.3.2氧化锆固体电解质200
3.3.3氧化锆生物陶瓷201
3.3.4氧化锆的其他应用201
3.4氧化锆基热障涂层材料214
3.4.1等离子喷涂法制备氧化锆基热障涂层230
3.4.2电子束-物理气相沉积法制备氧化锆基热障涂层235
3.4.3氧化锆基热障涂层的保护244
3.4.4YSZ的改性244
3.5氧化铪热障涂层材料247
3.5.1氧化铪247
3.5.2HfO2-ZrO2涂层259
参考文献259
第4章稀土锆酸盐热障涂层材料259
4.1烧绿石结构化合物及其性质特点265
4.1.1烧绿石结构269
4.1.2烧绿石结构化合物的性质特点及应用269
4.2锆酸镧热障涂层275
4.2.1锆酸镧的稳定性279
4.2.2锆酸镧热障涂层287
4.2.3离子掺杂对锆酸镧性质的影响296
4.2.4锆酸镧的增韧296
4.3铈酸镧热障涂层300
4.3.1La2(Zr1-xCex)2O7的晶体结构306
4.3.2La2(Zr1-xCex)2O7的热、力学性质307
4.3.3(La/Y)2(Zr0.3Ce0.7)2O7和Y2Ce2O7的热、力学性质316
4.3.4La2Ce2O7（LC）热障涂层318
4.3.5La2(Zr1-xCex)2O7热障涂层318
4.4锆酸钕热障涂层321
4.4.1Nd2(Zr1-xCex)2O7的晶体结构324
4.4.2Nd2(Zr1-xCex)2O7热障涂层324
4.5稀土锆酸盐的EB-PVD涂层328
4.5.1La2Zr2O7（LZ）涂层328
4.5.2La2Zr2O7-3Y2O3（LZ3Y）涂层331
4.5.3La2(Zr0.7Ce0.3)2O7（LZ7C3）涂层331
4.6稀土锆酸盐纳米材料336
4.6.1稀土锆酸盐纳米粉末344
4.6.2稀土锆酸盐纳米纤维350
参考文献350
第5章六铝酸盐热障涂层材料350
5.1概述352
5.1.1六铝酸盐的晶体结构354
5.1.2六铝酸盐的合成356
5.1.3六铝酸盐的应用356
5.2稀土六铝酸盐热障涂层材料364
5.2.1稀土六铝酸盐384
5.2.2稀土六铝酸盐热障涂层384
5.3其他六铝酸盐热障涂层材料386
5.3.1二元稀土六铝酸盐391
5.3.2碱土金属六铝酸盐396
参考文献396
第6章钙钛矿型热障涂层材料399
6.1钙钛矿结构材料401
6.2CaZrO3热障涂层407
6.3SrZrO3热障涂层408
6.4BaZrO3热障涂层410
参考文献410
第7章热障涂层新结构410
7.1热障涂层的结构设计412
7.1.1梯度结构414
7.1.2双陶瓷层结构和界面微区梯度结构418
7.1.3双陶瓷层现象418
7.2稀土锆酸盐/YSZ双陶瓷层热障涂层和梯度结构热障涂层426
7.2.1等离子喷涂法制备R2Zr2O7/YSZ双陶瓷层热障涂层450
7.2.2EB-PVD制备的R2Zr2O7/YSZ双陶瓷层热障涂层454
7.2.38YSZ+LZ7C3功能梯度热障涂层454
7.3稀土六铝酸盐材料与YSZ的组合459
7.3.1LMA/YSZ双陶瓷层热障涂层464
7.3.2LMA/YSZ梯度热障涂层470
7.3.3LMA增韧YSZ热障涂层474
参考文献474
第8章轻材料的热防护474
8.1轻材料概述486
8.1.1Mg合金488
8.1.2Al合金489
8.1.3Ti合金490
8.1.4碳纤维增强碳化硅（Cf/SiC）复合材料492
8.1.5纤维增强树脂基复合材料492
8.2Mg合金表面的热防护496
8.2.1Mg合金表面的8YSZ/NiCrAlY涂层500
8.2.2Mg合金表面黏结层材料的选择511
8.2.3中间层对Mg合金基底的保护作用511
8.3Al合金表面的热防护512
8.3.1Al合金表面的8YSZ/NiCrAlY涂层520
8.3.2Al合金表面涂层的残余应力521
8.3.3Al合金基底的冷却方式522
8.3.4中间层对Al合金基底的保护作用523
8.3.58YSZ/Al梯度涂层523
8.4Ti合金、碳钢表面的热防护527
8.4.1Ti合金表面的热障涂层528
8.4.2碳钢表面的热障涂层528
8.5Cf/SiC复合材料表面的热防护531
8.5.1LMA/Yb2SiO5涂层的热防护作用533
8.5.2Yb2SiO5涂层的厚度对LMA/Yb2SiO5涂层热防护性能的影响533
8.5.3Cf/SiC复合材料表面的LMA/Er2SiO5涂层534
8.6树脂表面的热防护541
8.6.1溶胶-凝胶法制备ZrO2和ZrO2-CeO2涂层545
8.6.2等离子喷涂制备8YSZ涂层557
参考文献557
第9章热障涂层失效机理的稀土荧光分析方法557
9.1热障涂层的失效机理560
9.1.1热障涂层失效机理566
9.1.2热障涂层应力测量572
9.1.3稀土荧光性质在热障涂层失效分析中的应用572
9.2应力荧光探针589
9.2.1压应力荧光探针594
9.2.2拉应力荧光探针598
9.2.3La2Zr2O7:Eu荧光性质研究608
9.2.4荧光探针的空间分辨率608
9.3YSZ相变过程的荧光探针616
9.3.1晶体结构对Eu3+荧光性质的影响619
9.3.2YSZ相变过程的荧光探针619
9.4热障涂层失效过程的荧光标识628
9.4.18YSZ热障涂层失效过程的荧光标识628
9.4.2LZ7C3/8YSZ双陶瓷层热障涂层失效过程的荧光标识629
9.4.3LMA/8YSZ双陶瓷层热障涂层失效过程的荧光标识630
参考文献632
索引640
彩图
1.2.3镍基高温合金的抗氧化性20
1.3热障涂层原理22
1.3.1无机涂层25
1.3.2热障涂层28
1.3.3热障涂层模型29
1.3.4热障涂层的失效机理42
1.3.5热障涂层的热、力学性质44
1.3.6热障涂层热循环寿命的评价44
1.4热障涂层的制备方法45
1.4.1热喷涂54
1.4.2等离子喷涂60
1.4.3电子束-物理气相沉积62
1.4.4PS和EB-PVD涂层性能的比较64
1.4.5热障涂层的其他制备方法64
1.5稀土元素的特性65
1.5.1稀土元素在军事上的应用67
1.5.2稀土元素的电子结构71
1.5.3稀土氧化物74
1.6热障涂层材料75
1.6.1YSZ75
1.6.2莫来石76
1.6.3Al2O376
1.6.4CeO2+YSZ77
1.6.5La2Zr2O777
1.6.6硅酸盐77
1.6.7稀土氧化物77
1.6.8金属-玻璃复合材料78
1.6.9石榴石78
1.6.10钙钛矿79
1.6.11六铝酸盐79
1.6.12(Ca1-xMgx)Zr4(PO4)679
1.6.13RPO4（R=La，Ce)80
1.6.14其他材料81
1.6.15热障涂层材料的发展趋势93
参考文献93
第2章热障涂层材料的合成93
2.1概述94
2.1.1粉末性质的表征95
2.1.2粉末的制备方法95
2.2陶瓷粉末的制备102
2.2.1固相合成117
2.2.2纳米粉末123
2.3陶瓷粉末的加工技术123
2.4陶瓷粉末的喷雾造粒124
2.4.1喷雾干燥原理151
2.4.2喷雾干燥过程151
2.5陶瓷靶材的加工技术153
2.5.1靶材的基本要求156
2.5.2靶材的制备过程161
参考文献161
第3章氧化锆基热障涂层材料161
3.1氧化锆的晶体结构和相变164
3.1.1氧化锆的晶体结构183
3.1.2氧化锆相变的影响因素183
3.2氧化锆增韧陶瓷186
3.2.1氧化锆的增韧原理189
3.2.2氧化锆增韧陶瓷190
3.3氧化锆的重要应用192
3.3.1氧化锆高强高韧结构材料197
3.3.2氧化锆固体电解质200
3.3.3氧化锆生物陶瓷201
3.3.4氧化锆的其他应用201
3.4氧化锆基热障涂层材料214
3.4.1等离子喷涂法制备氧化锆基热障涂层230
3.4.2电子束-物理气相沉积法制备氧化锆基热障涂层235
3.4.3氧化锆基热障涂层的保护244
3.4.4YSZ的改性244
3.5氧化铪热障涂层材料247
3.5.1氧化铪247
3.5.2HfO2-ZrO2涂层259
参考文献259
第4章稀土锆酸盐热障涂层材料259
4.1烧绿石结构化合物及其性质特点265
4.1.1烧绿石结构269
4.1.2烧绿石结构化合物的性质特点及应用269
4.2锆酸镧热障涂层275
4.2.1锆酸镧的稳定性279
4.2.2锆酸镧热障涂层287
4.2.3离子掺杂对锆酸镧性质的影响296
4.2.4锆酸镧的增韧296
4.3铈酸镧热障涂层300
4.3.1La2(Zr1-xCex)2O7的晶体结构306
4.3.2La2(Zr1-xCex)2O7的热、力学性质307
4.3.3(La/Y)2(Zr0.3Ce0.7)2O7和Y2Ce2O7的热、力学性质316
4.3.4La2Ce2O7（LC）热障涂层318
4.3.5La2(Zr1-xCex)2O7热障涂层318
4.4锆酸钕热障涂层321
4.4.1Nd2(Zr1-xCex)2O7的晶体结构324
4.4.2Nd2(Zr1-xCex)2O7热障涂层324
4.5稀土锆酸盐的EB-PVD涂层328
4.5.1La2Zr2O7（LZ）涂层328
4.5.2La2Zr2O7-3Y2O3（LZ3Y）涂层331
4.5.3La2(Zr0.7Ce0.3)2O7（LZ7C3）涂层331
4.6稀土锆酸盐纳米材料336
4.6.1稀土锆酸盐纳米粉末344
4.6.2稀土锆酸盐纳米纤维350
参考文献350
第5章六铝酸盐热障涂层材料350
5.1概述352
5.1.1六铝酸盐的晶体结构354
5.1.2六铝酸盐的合成356
5.1.3六铝酸盐的应用356
5.2稀土六铝酸盐热障涂层材料364
5.2.1稀土六铝酸盐384
5.2.2稀土六铝酸盐热障涂层384
5.3其他六铝酸盐热障涂层材料386
5.3.1二元稀土六铝酸盐391
5.3.2碱土金属六铝酸盐396
参考文献396
第6章钙钛矿型热障涂层材料399
6.1钙钛矿结构材料401
6.2CaZrO3热障涂层407
6.3SrZrO3热障涂层408
6.4BaZrO3热障涂层410
参考文献410
第7章热障涂层新结构410
7.1热障涂层的结构设计412
7.1.1梯度结构414
7.1.2双陶瓷层结构和界面微区梯度结构418
7.1.3双陶瓷层现象418
7.2稀土锆酸盐/YSZ双陶瓷层热障涂层和梯度结构热障涂层426
7.2.1等离子喷涂法制备R2Zr2O7/YSZ双陶瓷层热障涂层450
7.2.2EB-PVD制备的R2Zr2O7/YSZ双陶瓷层热障涂层454
7.2.38YSZ+LZ7C3功能梯度热障涂层454
7.3稀土六铝酸盐材料与YSZ的组合459
7.3.1LMA/YSZ双陶瓷层热障涂层464
7.3.2LMA/YSZ梯度热障涂层470
7.3.3LMA增韧YSZ热障涂层474
参考文献474
第8章轻材料的热防护474
8.1轻材料概述486
8.1.1Mg合金488
8.1.2Al合金489
8.1.3Ti合金490
8.1.4碳纤维增强碳化硅（Cf/SiC）复合材料492
8.1.5纤维增强树脂基复合材料492
8.2Mg合金表面的热防护496
8.2.1Mg合金表面的8YSZ/NiCrAlY涂层500
8.2.2Mg合金表面黏结层材料的选择511
8.2.3中间层对Mg合金基底的保护作用511
8.3Al合金表面的热防护512
8.3.1Al合金表面的8YSZ/NiCrAlY涂层520
8.3.2Al合金表面涂层的残余应力521
8.3.3Al合金基底的冷却方式522
8.3.4中间层对Al合金基底的保护作用523
8.3.58YSZ/Al梯度涂层523
8.4Ti合金、碳钢表面的热防护527
8.4.1Ti合金表面的热障涂层528
8.4.2碳钢表面的热障涂层528
8.5Cf/SiC复合材料表面的热防护531
8.5.1LMA/Yb2SiO5涂层的热防护作用533
8.5.2Yb2SiO5涂层的厚度对LMA/Yb2SiO5涂层热防护性能的影响533
8.5.3Cf/SiC复合材料表面的LMA/Er2SiO5涂层534
8.6树脂表面的热防护541
8.6.1溶胶-凝胶法制备ZrO2和ZrO2-CeO2涂层545
8.6.2等离子喷涂制备8YSZ涂层557
参考文献557
第9章热障涂层失效机理的稀土荧光分析方法557
9.1热障涂层的失效机理560
9.1.1热障涂层失效机理566
9.1.2热障涂层应力测量572
9.1.3稀土荧光性质在热障涂层失效分析中的应用572
9.2应力荧光探针589
9.2.1压应力荧光探针594
9.2.2拉应力荧光探针598
9.2.3La2Zr2O7:Eu荧光性质研究608
9.2.4荧光探针的空间分辨率608
9.3YSZ相变过程的荧光探针616
9.3.1晶体结构对Eu3+荧光性质的影响619
9.3.2YSZ相变过程的荧光探针619
9.4热障涂层失效过程的荧光标识628
9.4.18YSZ热障涂层失效过程的荧光标识628
9.4.2LZ7C3/8YSZ双陶瓷层热障涂层失效过程的荧光标识629
9.4.3LMA/8YSZ双陶瓷层热障涂层失效过程的荧光标识630
参考文献632
索引640
彩图
