稀土材料是大国博弈的“隐形力量”，是维护我国国家安全和促进国民经济发展的重要组成部分。发展高性能稀土材料并加速实现稀土产业升级，是我国“十五五”发展期间战略制高点之一。稀土陶瓷热防护涂层材料在先进航空发动机、重型燃气轮机和高超声速飞行器等大国重器核心热端部件是必不可少的，其能够提供隔热降温、提高服役温度和寿命的作用。长期以来，稀土陶瓷热防护涂层材料一直是航空航天等领域的研究热点与难点。
铁弹性复合稀土陶瓷中铁弹畴增韧及高密度位错的原子级别表征
近日，昆明理工大学材料科学与工程学院、金属先进凝固成形及装备技术国家地方联合工程研究中心、中国稀土学会热防护材料专业委员会陈琳/冯晶团队在国际顶刊Advanced Materials以“Breaking the Trade-Off Relationship Between Thermal Conductivity and Toughness of Ferroelastic Oxide Ceramics via a High-Density Dislocation Strategy”为题，报道了团队最新成果。研究团队构建了“铁弹畴+高密度位错”的稀土陶瓷增韧新机制，为实现高韧性、低导热超高温稀土陶瓷热障涂层材料的创制提出了新思路。高韧性、低热导是保障稀土陶瓷热防护涂层材料长寿命、高隔热的核心性能指标，但是在稀土陶瓷中其热导率与断裂韧性之间存在相互耦合限制的关系。稀土陶瓷硬而脆，高硬度意味着高的声子传播速度，从而产生高的热导率，传统性能优化方式难以打破脆性稀土陶瓷“高韧性-低热导率”之间的耦合限制关系。铁弹性稀土钽/铌酸盐陶瓷在升降温的过程中通过原子的微小偏转及移动完成二级铁弹性相变，使其服役温度可超过1500℃，是下一代的超高温热障涂层材料。室温下通过铁弹畴特有的畴偏转裂纹、畴转变、裂纹桥接等多重增韧机制使其断裂韧性远高于其他陶瓷，为高韧性陶瓷的研发提供了新思路。但是，相邻晶粒之间的畴取向差异导致晶界结合强度不足，裂纹主要通过沿晶断裂的方式进行，少量晶粒穿过铁弹畴，因而铁弹畴增韧效果有限。
高密度位错工程突破脆性陶瓷“高韧性-低热导率”之间的耦合限制关系
针对以上国际性难题，陈琳/冯晶团队十余年来深耕铁弹性陶瓷热防护涂层材料领域，在本研究中通过球差矫正透射电镜原子级别表征提出了铁弹畴增韧新理论，首次直接揭示了在应力作用下铁弹畴通过偏转裂纹、畴转变、裂纹桥接等方式消耗断裂能提高断裂韧性；同时，研究团队在铁弹性陶瓷中通过引入与其具有类共格界面的增强相，并通过SPS和高温热处理的方式加速元素迁移，在晶格中引入高密度位错，在脆性陶瓷中构建了“铁弹畴+高密度位错”增韧新机制。铁弹性复合陶瓷断裂韧性最高值可达5.0 MPa·m1/2，相较于单相材料提高达100%，断裂韧性是传统YSZ材料的1.4倍。
此外，高密度位错能够有效散射声子降低热导率。经过高温热处理后，复合陶瓷中的高密度位错可达108~1010 mm-2，这使其成为主要的声子散射中心，有效降低复合陶瓷的热导率。高温下铁弹性复合陶瓷的热导率最低值可达1.32 W·m-1·K-1，仅仅是当前YSZ材料体系的一半。综上，研究人员创新性提出高密度位错工程是打破陶瓷“高韧性-低热导率”之间的耦合限制关系的有效方式，为高性能、长寿命陶瓷热防护涂层材控的研发奠定了坚实的理论基础和科学依据。昆明理工大学为第一作者单位和通讯单位，材料学院2024届本科毕业生李柏辉和在读博士王建坤为第一作者，材料学院陈琳、冯晶教授及清华大学沈洋教授为通讯作者。该研究成果是在国家自然科学基金、云岭学者、昆明理工大学引进高层次人才平台建设经费、云南省创新团队等项目的支持下完成的。
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