基于界面效应的非晶/陶瓷复合涂层隔热机制与热稳定性研究

Low Heat Rejection (LHR) engine is considered to be an inevitable trend of development, and an effective approach to improve fuel economy and reduce exhaust emissions of vehicles. However, the lack of proper thermal barrier coatings (TBCs), which is regarded as one of the key technologies, has significantly restricted the extended application of LHR engine. In this work, considering the scattering electron role of interface, a novel amorphous/ceramic composite coating is designed to overcome the insufficient insulating ability of metal-based thermal barrier coatings. Therefore, based on the effect of amorphous/ceramic interface, systematic research will be conducted on preparation technology, interface characteristic, insulation mechanism, interface scattering, performance control, thermal stability and crystallization mechanism of the composite coating. Consequently, the insulation mechanism of composite coating will be characterized in scale of electron and phonon, as well as the influence of composite phases interface. Furthermore, the microstructure evolution and performance degradation, with different annealing temperature and time, of the composite coating in the way of interface effect will be illustrated in detail. Finally, the synergistic control method of the composite coating combining microstructure, interface and performance will be established, which is an important theoretical basis and technical support for the design and application of this composite coating.

低散热发动机技术是提高汽车能源利用率、降低尾气污染物排放的有效途径和发展趋势，但作为其关键技术的热障涂层，在材料设计方面难以满足实际需求，是制约其大范围推广应用的技术瓶颈。针对前期研究中所发现的金属基热障涂层电子导热较强致使其隔热能力不足的问题，本项目从界面散射效应的核心思路出发，提出了非晶/陶瓷复合热障涂层的创新性设计。以实际应用需求为导向，围绕非晶/陶瓷界面的影响作用，系统开展复合涂层制备工艺及界面特征、隔热机制与界面散射效应、性能调控与界面影响机制、热稳定性与晶化转变机制等关键科学问题的研究。从电子和声子等微观本质上揭示出复合涂层的隔热机制，以及复合相界面的影响规律及作用机理；阐明涂层组织结构随温度和时间的演化规律与相应性能的退化程度，以及界面的影响效应与诱导晶化转变机制；并建立复合涂层微结构、界面与性能的协同调控技术，为该类新型复合涂层材料的设计与应用提供重要的理论基础和技术支撑。

低散热发动机技术是提高车辆能源利用率、降低污染物排放的有效途径，而热障涂层是实现其设计的关键。针对金属基热障涂层电子导热较强致使其隔热能力不足的问题，本项目从界面散射效应的核心思路出发，提出了非晶/陶瓷复合热障涂层的创新性设计。围绕非晶/陶瓷界面的影响作用，系统开展了复合涂层制备工艺及界面特征、隔热机制与界面散射效应、性能调控与界面影响机制、热稳定性与晶化转变机制等关键科学问题的研究。取得了以下研究成果：.揭示了FeCrNbBSi/YSZ复合涂层中非晶与陶瓷变形粒子间形成10nm左右具有无序结构的Si氧化物界面层，主要来源于变形粒子极高的冷却速率和配对材料中的低原子扩散速率共同抑制了过度界面反应。界面层的生成在两相粒子间引入了界面热阻，显著增强了复合涂层的隔热能力。基于Maxwell模型计算，量化表征了界面层的热阻贡献，揭示了界面层对电子热导明显的抑制作用。非晶与陶瓷粒子间的界面反应有效解决了两者润湿性差的难题，而界面层的纳米尺度降低了其本征脆性的影响，使得复合涂层保持了较高的断裂韧性。阐明了陶瓷相的引入并未对非晶相的晶化转变机制产生明显影响，复合涂层保持了较好的热稳定性。但在临界转变温度以上长期服役，孔隙愈合会导致涂层隔热性能退化。相关研究发展完善了金属基热障涂层的基础理论，并开辟了新颖的研究方向；而有关界面层形成机制及影响作用的研究，可以作为类似复合涂层设计与应用的有力借鉴。.优化设计的FeCrNbBSi/YSZ复合热障涂层热导率低至2.31W/mK，断裂韧性保持为3.4MPa·m1/2。通过简化模型计算能够提升活塞表面温度18℃，有效提升热能转化效率；同时，涂层也能够有效抑制Al合金基体的温升，有利于保持其强度。所研发的新型非晶/陶瓷复合热障涂层，在先进车辆发动机设计中具有明显的应用潜力和价值。