記者1月7日獲悉,中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所完成的“稀土高溫熱障涂層材料”項目擬被提名2020年度國家自然科學(xué)獎二等獎。據(jù)悉,該項目在理論和應(yīng)用研究方面分別榮獲2013年吉林省科學(xué)技術(shù)一等獎和2012年國防科技進步二等獎。
熱障涂層(Thermal Barrier Coatings,TBCs)是高溫下具有良好隔熱性能的陶瓷涂層,在航空發(fā)動機、沖壓發(fā)動機、大型燃機和固體火箭發(fā)動機等動力系統(tǒng)的熱防護方面有重大應(yīng)用,是我國國防工業(yè)亟待突破的卡脖子技術(shù)之一。國內(nèi)外常用的TBCs材料8YSZ(8 wt% Y2O3穩(wěn)定的ZrO2),其熱導(dǎo)率較高、在1178℃以上發(fā)生相變和燒結(jié),已無法滿足高性能發(fā)動機的需求。
據(jù)悉,該項目持續(xù)18年,利用我國豐富的稀土資源,在863計劃、國防科工局和國家自然科學(xué)基金等項目的支持下,以稀土資源利用國家重點實驗室為科研平臺,深入研究了TBCs新材料和新結(jié)構(gòu),合成了以稀土為主的新型高溫涂層材料,設(shè)計了雙陶瓷層等新穎的涂層結(jié)構(gòu),使涂層的使用溫度提高到1350℃,為未來發(fā)展使用溫度更高的涂層奠定了基礎(chǔ)。
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該項目有關(guān)稀土高溫TBCs的研究成果,得到國內(nèi)外同行的廣泛認可,成為國際同領(lǐng)域的研究熱點之一。稀土高溫TBCs解決了一系列國家重點裝備的熱防護難題,多次在國際航空航天博覽會、南海亮劍、建軍90周年、反法西斯戰(zhàn)爭勝利70周年和建國70周年等國家重大活動上展示,為國防建設(shè)做出了重要貢獻。
8篇代表性論著他引共1659次,其中3篇的SCI被引頻次在國際TBCs領(lǐng)域所有論文中(1950-迄今共21533篇)排名前1%,“熱障涂層的結(jié)構(gòu)設(shè)計和失效機理研究”獲2013年吉林省科學(xué)技術(shù)一等獎;成果已在航天、海洋和反裝甲等領(lǐng)域的一系列國家重點裝備上廣泛應(yīng)用,“高溫熱障涂層材料及其應(yīng)用”獲2012年國防科技進步二等獎。項目的發(fā)現(xiàn)點如下:
(1)提出高溫TBCs材料設(shè)計的新思想,即稀土復(fù)合氧化物材料,并通過選擇性的離子取代對材料的晶體結(jié)構(gòu)進行調(diào)控,對材料的熱、力學(xué)性能進行裁剪。該思想對TBCs材料的設(shè)計有重要意義,得到國內(nèi)外同行的廣泛認可,研制了許多稀土TBCs材料,形成一個新的研究方向。論文發(fā)表在歐洲陶瓷會志新年首刊J Eur Ceram Soc 24[1] (2004) 1,SCI被引頻次1138,在國際同領(lǐng)域中排名第4,在2017年Elsevier評選中國材料科學(xué)17篇高質(zhì)量亮點論文中排名第2。
(2)合成了一系列高溫TBCs材料即A2B2O7型(A=稀土,B=Zr/Ce),其中La2Zr2O7(LZ)、La2Ce2O7(LC)和La2(Zr0.7Ce0.3)2O7(LZ7C3)成為本領(lǐng)域的熱門材料。LZ的熔點2300℃,在此溫度以下沒有相變;LC的熱膨脹系數(shù)大(1210-6/K),使用溫度1230℃,這是第一種使用溫度超過8YSZ的材料,論文發(fā)表在Adv Mater 15[17] (2003) 1438(IF=21.950),SCI被引頻次242,在國際同領(lǐng)域中排名第68;LZ7C3涂層具有很低的熱導(dǎo)率(0.493 W/(m·K),8YSZ=1.2W/(m·K),1000℃)和優(yōu)良的抗燒結(jié)性能(1400℃煅燒15 h無收縮)。
戰(zhàn)斗機
(3)發(fā)現(xiàn)“雙陶瓷層效應(yīng)”,即在涂層總厚度不變的情況下,根據(jù)兩種材料各自熱、力學(xué)性能特點,組成雙陶瓷層熱障涂層(DCL-TBCs),其熱循環(huán)壽命比兩個單一涂層都長很多,論文J Eur Ceram Soc 26 (2006) 247的SCI被引頻次159,在國際同領(lǐng)域中排名第163。在此基礎(chǔ)上,設(shè)計了一系列DCL-TBCs,包括LZ/8YSZ、LZ7C3/8YSZ和LMA/8YSZ,使用溫度和壽命比8YSZ顯著提高,使用溫度最高1350℃,壽命比8YSZ延長50%以上。論文J Alloy Compd 509(2011) 4273獲2013年中國航空工業(yè)優(yōu)秀科技論文一等獎,航空發(fā)動機葉片稀土高溫TBCs已通過某重點型號發(fā)動機的整機試車考核。許多國內(nèi)外同行開展DCL-TBCs研究,證實了“雙陶瓷層效應(yīng)”。
該項目發(fā)表TBCs相關(guān)論文200余篇,授權(quán)發(fā)明專利11件。“高溫熱障涂層材料及其應(yīng)用”通過中科院組織的成果鑒定,認為“稀土高溫熱障涂層材料綜合性能達到國際先進水平,其中稀土材料應(yīng)用于…達到國際領(lǐng)先水平”。稀土高溫TBCs所應(yīng)用的國家重點裝備多次參加國際航空航天博覽會、南海亮劍、建軍90周年、反法西斯戰(zhàn)爭勝利70周年和建國70周年等大型活動。
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