Mae haenau rhwystr thermol yn rhoi "arfwisg inswleiddio gwres" ar gydrannau metel.
Ym meysydd peiriannau aero a thyrbinau nwy, mae yna drywydd tragwyddol: tymereddau mewnfa tyrbinau uwch. Am y rheswm hwn, mae gwyddonwyr deunyddiau yn archwilio ffyrdd o wella ymwrthedd tymheredd uchel tyrbinau yn gyson, ac un o'r dulliau mwyaf effeithiol yw gwisgo cydrannau tyrbinau "dillad amddiffynnol" gyda haenau sydd â gwahanol swyddogaethau, a thrwy hynny gyflawni gwell perfformiad gwasanaeth, mwy o ddibynadwyedd, a bywyd gwasanaeth hirach.
Gorchuddion rhwystr thermol mewn injan aero (GP7200) a morffoleg groestoriadol system cotio rhwystr thermol nodweddiadol
Ar hyn o bryd, mae haenau rhwystr thermol wedi dod yn dechnoleg ategol allweddol ar gyfer torri trwy derfynau gwasanaeth deunyddiau metel.
Mae haenau rhwystr thermol (TBCs) yn fath o orchudd inswleiddio sy'n cyfuno perfformiad strwythurol a nodweddion swyddogaethol. Mae ganddyn nhw strwythur amlhaenog fel "rhyngosod," sy'n cynnwys haen insiwleiddio thermol ceramig, cot bond metelaidd, a swbstrad uwch-aloi. Ymhlith y rhain, yr haen uchaf ceramig yw haen swyddogaethol graidd y cotio rhwystr thermol, sy'n dwyn yn uniongyrchol sioc thermol, erydiad, a chorydiad cemegol nwy tymheredd uchel. Mae dewis deunyddiau a dyluniad strwythurol yr haen hon yn pennu'n uniongyrchol effaith inswleiddio thermol a bywyd gwasanaeth y cotio.
Strwythur cotio rhwystr thermol
Deunyddiau sy'n seiliedig ar sirconiwm yw'r deunydd a ffafrir ar gyfer yr haen ceramig o haenau rhwystr thermol tymheredd uchel.
Oherwydd bod gan ddeunyddiau sy'n seiliedig ar zirconium berfformiad inswleiddio thermol rhagorol, ymwrthedd ocsideiddio tymheredd uchel, ymwrthedd cyrydiad tymheredd uchel, a chryfder cymharol uchel, maent wedi dod yn ddeunydd a ffefrir ar gyfer yr haen ceramig o haenau rhwystr thermol tymheredd uchel.
Y cam cyntaf yn natblygiad haenau rhwystr thermol sy'n seiliedig ar zirconium oedd y defnydd uniongyrchol o zirconium ocsid (ZrO2) fel y deunydd haen ceramig. Mae trawsnewid cyfnod cyflym ZrO2 yn ystod gwresogi yn cyfyngu ar ei dymheredd gwasanaeth, gan arwain at fywyd gwasanaeth cymharol fyr ar gyfer y cotio rhwystr thermol. Yr ail gam oedd y defnydd o 6 wt% ~ 8 wt% Y2O3 haenau ceramig ZrO2 (YSZ) wedi'u sefydlogi'n rhannol. Cynyddodd dopio â'r ocsid daear prin Y2O3 dymheredd trawsnewid cyfnod ZrO2, gwella sefydlogrwydd cyfnod tymheredd uchel y system ceramig, ac YSZ yw'r deunydd cerameg cotio rhwystr thermol a ddefnyddir fwyaf ledled y byd o hyd.
Fodd bynnag, wrth i dymheredd y gwasanaeth gynyddu'n raddol, mae'r system YSZ wedi datgelu'n raddol ei chyfyngiadau o ran sefydlogrwydd cam, ymwrthedd sintro, a pherfformiad blinder beicio thermol. Yn enwedig mewn amgylcheddau tymheredd uchel uwchlaw 1200 gradd, mae YSZ yn dueddol o drawsnewid fesul cam, gan arwain at embrittled strwythurol a methiant cotio. Er mwyn datrys y problemau hyn, mae ymchwilwyr wedi dechrau archwilio systemau deunydd ceramig newydd.
Powdrau sy'n seiliedig ar sirconiwm: y rhwystr cyntaf ar gyfer "gwres-arfwisg inswleiddio" haenau rhwystr thermol.
Mewn cymwysiadau cotio rhwystr thermol, mae haenau a baratowyd o "powdrau zirconium ocsid nano a phowdrau zirconium ocsid sfferig gwag" yn dangos perfformiad mwy rhagorol na haenau microstrwythuredig traddodiadol.
Oherwydd eu "microstrwythur unigryw", mae gan haenau rhwystr thermol nanostrwythuredig ymwrthedd sintro uwch a goddefgarwch straen gwell, a thrwy hynny wella bywyd gwasanaeth y cotio yn sylweddol. Gall haenau rhwystr thermol strwythuredig sfferig gwag, oherwydd eu "nodweddion mandyllog", leihau dargludedd thermol y cotio yn effeithiol a darparu gwell insiwleiddio thermol, tra hefyd yn cael gwell sefydlogrwydd a nodweddion eraill. Mae nodweddion y powdr zirconium ocsid cychwynnol yn cael dylanwad pendant ar berfformiad cotio. Felly, mae optimeiddio prosesau gwneud powdr presennol neu archwilio rhai mwy rhagorol, a datblygu mathau newydd o bowdr gyda pherfformiad gwell, yn llwybr allweddol i wella perfformiad haenau rhwystr thermol a chwrdd â gofynion meysydd datblygedig a soffistigedig.
Mae'r dulliau paratoi ar gyfer powdrau a ddefnyddir mewn haenau rhwystr thermol tymheredd uchel sy'n seiliedig ar zirconium yn cynnwys dyddodiad anwedd, dull halen tawdd, dull gel sol, dull dyddodiad homogenaidd, dull hydrothermol, dull templed, ac eraill. Yn eu plith, mae'r "dull hydrothermol" arbennig o nodedig, fel dull paratoi cemegol gyda photensial datblygu gwych, yn dangos manteision rhagorol wrth baratoi powdrau nano zirconium ocsid pur / dop. Gall y dull templed reoli diamedr a thrwch wal sfferau gwag yn union trwy ddewis cyfryngau templad o wahanol feintiau, ac mae'n ffordd effeithiol o gyflawni paratoad rheoladwy o strwythurau sfferig gwag. Mae pyrolysis chwistrellu yn fwy addas ar gyfer cynhyrchu ar raddfa fawr, gan ffurfio strwythurau sfferig gwag mewn un cam trwy brosesau atomization, sychu a phyrolysis hylif a reolir rhagflaenydd.
Cymhariaeth o'r prif dechnolegau paratoi ar gyfer deunyddiau powdr sy'n seiliedig ar sirconiwm
Cyflwyno daearoedd prin i ddatblygu haenau ceramig rhwystr thermol newydd yn seiliedig ar zirconiwm.
Ar y naill law, gall gwella deunyddiau cotio rhwystr thermol presennol tra'n dopio ar yr un pryd ag ocsidau daear prin lluosog, ytterbium ocsid, scandium ocsid, gadolinium ocsid, cerium ocsid- gynhyrchu effeithiau hollol wahanol.
Ar y llaw arall, mae datblygu powdrau cyfansawdd newydd sy'n seiliedig ar zirconium (fel systemau cyfansawdd o zirconium ocsid a halwynau daear prin) hefyd wedi dod yn gyfeiriad ymchwil pwysig.
O'i gymharu â YSZ, mae deunyddiau zirconate daear prin (RE2Zr2O7) yn arddangos dargludedd thermol is, sefydlogrwydd cyfnod uwch, a gwell ymwrthedd sintro, gan eu gwneud yn ymgeiswyr craidd ar gyfer y genhedlaeth nesaf o ddeunyddiau ceramig TBC. Mae astudiaethau'n dangos y gall priodweddau rhagorol zirconates daear prin wella'n sylweddol berfformiad sioc thermol a bywyd beicio thermol haenau. Er enghraifft, yn strwythur cotio haen dwbl La2Zr2O7 a 8YSZ, gall y deunydd La2Zr2O7 allanol leihau'r dargludedd thermol yn sylweddol a chynyddu nifer y siocau thermol a bywyd ocsidiad thermol, gan ddangos y fantais synergyddol o "dargludedd thermol isel-sefydlogrwydd uchel."
Yn ogystal, yn y blynyddoedd diwethaf, mae tantalates daear prin (RE2Ta2O7) a niobates daear prin (RE2Nb2O7), fel deunyddiau â dargludedd thermol ultra- a sefydlogrwydd thermol rhagorol, wedi dod yn fannau problemus ymchwil newydd. Oherwydd eu caledwch gwael, mae eu defnydd fel deunyddiau cotio yn gyfyngedig. Mae ymchwil gyfredol yn canolbwyntio'n bennaf ar gyflawni cyfatebolrwydd swyddogaethol deunyddiau trwy strwythurau cyfansawdd aml-haen neu strwythurau graddiant.