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CeO2和Sc2O3掺杂对YSZ陶瓷微观结构、热学性能以及抗烧结性能的影响

稀土掺杂，YSZ，晶体结构，热导率，抗烧结

6-8wt%氧化钇稳定氧化锆（YSZ）作为热障涂层材料被广泛应用于航空发动机和燃气轮机的高温部件防护领域。然而，高温下的相变和烧结致密化问题严重限制了该材料在1200 ℃以上高温环境中的实际应用。鉴于此，采用固相烧结反应法制备了CeO₂与Sc₂O₃掺杂改性的YSZ陶瓷块体。系统研究了CeO₂与Sc₂O₃掺杂对YSZ陶瓷的晶体结构、高温相稳定性、热学性能以及抗烧结性能的影响。结果表明，CeO₂掺杂使得ZrO₂晶胞中的氧原子沿c轴方向发生位错畸变，进而导致晶胞体积和四方增大，而Sc₂O₃的引入使得氧原子沿M-O化学键方向错位畸变，结果导致其晶胞体积和四方减小。CeO₂与Sc₂O₃共掺杂不仅使ZrO₂晶格发生严重的畸变，而且在其中引入了大量氧空位缺陷。因此，该材料表现出了最低的热导率 (1.53 W·m⁻¹·K⁻¹)，比YSZ (2.00 W·m⁻¹·K⁻¹)低约23%。更重要的是，氧空位还可以有效地稳定八倍体配位，加之Sc-O键较强的化学键使得离子很难错位，因此很好地阻止了t相向m相的转变。此外，共掺杂可以同时克服单一CeO₂掺杂时抗烧结性能差和Sc₂O₃掺杂时热膨胀系数低的缺点，因此CeO₂与Sc₂O₃共掺杂YSZ陶瓷是一种理想的耐高温且长效的热防护材料。