【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，材料科學與工程學院韓桂芳教授課題組聯(lián)合廣東省科學院新材料研究所在仿生柚木結(jié)構(gòu)化環(huán)境障涂層研究方面取得了重要突破。相關(guān)研究成果以“Regulating the composition, structure, and nanoscale dimensions of Yb2Si2O7environmental barrier coating to achieve a biomimetic teakwood-like functional structure by waste gas recycling”為題，發(fā)表于材料科學領(lǐng)域的國際頂級期刊Journal of Advanced Ceramics(中科院1區(qū)Top，IF：18.6)。該期刊是中科院分區(qū)中陶瓷領(lǐng)域唯一的1區(qū)期刊，也是國際陶瓷領(lǐng)域的Top 1期刊。材料學院博士研究生張軍貴為該論文的第一作者，韓桂芳教授為第一通訊作者，廣東省科學院新材料研究所正高級工程師張小鋒為共同通訊作者，山東大學為第一完成單位。
仿生柚木結(jié)構(gòu)化環(huán)境障涂層制備示意圖
碳化硅陶瓷基復合材料(SiC-CMCs)因其低密度、卓越的高溫機械性能和良好的熱機械穩(wěn)定性，被認為是燃氣輪機高溫應(yīng)用的理想材料。然而，SiC表面被氧化的SiO2層在高溫燃燒環(huán)境中易與水蒸氣反應(yīng)，生成揮發(fā)性Si(OH)4氣體，導致材料使用壽命顯著降低。為了解決這一問題，開發(fā)環(huán)境障涂層(EBC)以保護CMCs免受惡劣燃燒環(huán)境的快速衰退變得至關(guān)重要。Yb2Si2O7(YbDS)因其優(yōu)異的高溫性能而被視為最有前途的EBC材料之一。然而，熱噴涂中YbDS的分解揮發(fā)問題對其穩(wěn)定性構(gòu)成挑戰(zhàn)。
柚木以其卓越的機械性能和環(huán)境穩(wěn)定性而聞名，其獨特的層狀結(jié)構(gòu)為EBC的開發(fā)提供了新方向。韓桂芳教授課題組首次提出了仿生柚木結(jié)構(gòu)的概念，巧妙利用YbDS的分解揮發(fā)，并創(chuàng)新性地開發(fā)了氣/液相交替沉積技術(shù)，實現(xiàn)了仿生結(jié)構(gòu)的精確調(diào)控，為EBC的設(shè)計和制備開辟了新的可能性。通過等離子噴涂-物理氣相沉積(PS-PVD)過程中的氣/液相交替沉積，回收并調(diào)節(jié)了YbDS在噴涂過程中揮發(fā)的SiO2的沉積與生長，在隨后的熱處理中實現(xiàn)了SiO2與分解相Yb2SiO5(YbMS)的原位反應(yīng)，優(yōu)化了YbDS涂層的納米結(jié)構(gòu)和組成，最終成功制備出具有仿生柚木層狀結(jié)構(gòu)的多尺度納米YbMS-YbDS復合EBC，實現(xiàn)了涂層結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計。該項研究不僅提升了材料的利用率，也為EBC的制備帶來了全新的視角，為類似揮發(fā)特性的噴涂粉末制備涂層提供了新的設(shè)計策略和方法。此外，研究也為燃氣輪機引擎等高溫應(yīng)用領(lǐng)域提供了創(chuàng)新的防護策略，預(yù)期將大幅提高涂層的機械性能和耐腐蝕性，實現(xiàn)在高溫環(huán)境下的長期穩(wěn)定保護，展現(xiàn)仿生結(jié)構(gòu)在高溫涂層應(yīng)用中的廣闊潛力。
該項研究工作得到了國家自然科學基金、廣東省自然科學基金、廣東省特支計劃、廣東省科技計劃以及燃氣輪機項目科學中心的支持。
除以上研究外，近年來，韓桂芳教授團隊在環(huán)境障涂層的制備、高溫氧化腐蝕行為以及機理等研究方面均取得了一系列成果，相關(guān)論文發(fā)表在Corrosion Science、Surface and Coatings Technology、Ceramics International等國際期刊。
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