【用戶成果】可視化燒結技術：精準測定Ca?Ta?O?與Mg?Ta?O?陶瓷致密化溫度窗口-天津中環電爐股份有限公司

Cases

首頁

【用戶成果】可視化燒結技術：精準測定Ca?Ta?O?與Mg?Ta?O?陶瓷致密化溫度窗口

昆明理工大學材料科學與工程學院馮晶教授團隊在《Ceramics?International》上發表了論文。本系統研究了兩種新型鉭酸鹽陶瓷?Ca?Ta?O??和?Mg?Ta?O?，作為新型熱障涂層（TBCs）候選材料的可行性，重點關注其燒結行為、熱膨脹性能、熱傳輸性能及相穩定性。

2026-07-24

DOI：10.1016/j.ceramint.2022.04.331

昆明理工大學材料科學與工程學院馮晶教授團隊在《Ceramics International》上發表了題為“Sintering, thermal expansion, and thermal transport properties of A?Ta?O??(A= Ca, Mg) tantalates”的論文。本系統研究了兩種新型鉭酸鹽陶瓷?Ca?Ta?O??和?Mg?Ta?O?，作為新型熱障涂層（TBCs）候選材料的可行性，重點關注其燒結行為、熱膨脹性能、熱傳輸性能及相穩定性。

研究背景

熱障涂層(TBCs)是航空發動機和燃氣輪機高溫部件的重要保護材料，其通過降低熱傳導來提高燃油效率。目前廣泛應用的是氧化釔穩定氧化鋯(YSZ)，但其使用溫度被限制在1200°C以下，主要原因是高溫下會發生相變導致性能退化。為突破這一溫度限制，研究者們發現了稀土鉭酸鹽(RETaO?)這類具有鐵彈性相變帶來的高韌性、最高工作溫度可達1600°C、熱導率低至約1.15 W·m?1·K?1、熱膨脹系數高達約11.0×10?? K?1等優異性能的新型熱障涂層材料，但稀土元素資源有限、價格昂貴成為其應用瓶頸。因此，為了克服稀土元素的稀缺性和高成本問題，本研究嘗試用低成本的CaO和MgO替代稀土氧化物，制備新型A?Ta?O?鉭酸鹽陶瓷，并系統研究其致密化燒結、熱膨脹性能、相穩定性和熱傳輸性能，以評估其作為新型熱障涂層材料的潛力。

樣品合成及燒結行為

1)原料：AO(A=Ca, Mg)+Ta?O??(純度≥99.9%)

2)球磨混合(300 rpm, 10h)→干燥→壓制圓片

天津中環電爐可視化高溫形變分析儀TA-Z16A助力樣品致密化燒結行為：

隨著溫度的升高(1200–1300°C)，體積收縮率保持不變，并且在該溫度范圍內具有最高的相對密度。

◆Ca?Ta?O?：最佳燒結溫度為1200–1300°C，相對密度達 97.8%

◆Mg?Ta?O?：最佳燒結溫度為1240–1300°C，相對密度高達?99.8%

◆超過1300°C后，體積收縮率下降，相對密度降低（可能出現過燒或孔隙增加）?

3)SPS等離子燒結：1300℃，120MPa，10min

性能指標匯總

結論

鉭酸鹽陶瓷作為新型熱障涂層（TBCs）候選材料，具有以下核心結論：

1)?致密化燒結性能優異：通過光學接觸角測試儀測定了體積收縮率和相對密度隨溫度的變化，確定了最佳的致密化燒結溫度。所制備的Ca?Ta?O?和Mg?Ta?O?陶瓷相對密度分別高達97.8%和99.8%。

2)?力學性能滿足熱障涂層要求：兩種材料均具有較高的硬度、合適的楊氏模量和相對較高的斷裂韌性，其力學性能主要由原子間的鍵合強度控制，符合氧化物熱障涂層的基本要求。

3)?高熱膨脹系數與低熱導率：在1200°C時，Ca?Ta?O?和Mg?Ta?O?的熱膨脹系數分別達到11.4×10?? K?1和11.8×10?? K?1；在900°C時，其熱導率分別為1.93 W·m?1·K?1和1.78 W·m?1·K?1。這些優異的熱物理性能主要源于強烈的非簡諧晶格振動。

4)?優異的相穩定性：兩種材料在1300°C以上仍能保持穩定的晶體結構，無明顯相變發生，表明它們可在超過1300°C的高溫環境下長期使用。

中環電爐設備介紹

可視化高溫形變分析儀，光學非接觸法測量材料燒結過程膨脹收縮。材料在變溫過程中形狀、尺寸及物態變化在線實時觀測，并通過智能化數據采集與圖像處理系統給出直觀、準確的數據及圖形報告，產品性能與國際同類產品相當，處于國內領先水平。可視化高溫形變分析儀用于材料研發與制造，有助于精確制定材料燒結工藝或熱處理工藝，提高產品質量，降低生產成本。

主要功能

◆?高溫測試：最高使用溫度1600℃/2000℃

◆ 實時動態測量燒結過程中收縮形變：非接觸測量和記錄樣品燒結過程中高度、寬度和面積隨溫度變化曲線

◆ 判斷各特征溫度：燒結點、軟化點、球化、半球化、熔點