科学网—郑州大学周延春团队：兼具抗氧化和低热导的双功能材料CrNbO 4-清华大学出版社学术期刊的博文
精选
已有 6632 次阅读
2025-6-6 09:46
| 个人分类: JAC | 系统分类: 论文交流
原文出自 Journal of Advanced Ceramics ( 先进陶瓷 ) 期刊
Cite this article:
Zhang S, Zhang J, Wang X, et al. Preparation, mechanical and thermal properties of CrNbO 4 : A novel dual functional scale to protect RHEAs from oxidation and thermal attack. Journal of Advanced Ceramics , 2025 , https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221100
文章 DOI ： 10.26599/JAC.2025.9221100
ResearchGate ： https://www.researchgate.net/publication/392005918_Preparation_mechanical_and_thermal_properties_of_CrNbO 4 _A_novel_dual_functional_scale_to_protect_RHEAs_from_oxidation_and_thermal_attack
1 、 导读
科学家意外地发现含 Cr-Nb 的难熔高熵合金表面生成 CrNbO 4 后可以提高其抗氧化性能。然而，对这种复杂氧化物 CrNbO 4 的性能仍不了解。 本文首次报道了 CrNbO 4 的合成方法、显微结构、力学性能和热学性能。 结果表明 CrNbO 4 可以作为难熔高熵合金的抗氧化 / 隔热双功能防护膜材料。 更重要的是，该研究 还将改变高温抗氧化合金和陶瓷的设计思路和研究范式，提供除 Al 2 O 3 、 Cr 2 O 3 和 SiO 2 以外的新型阻止合金和陶瓷氧化的保护膜材料。
2 、 研究背景
航空涡轮发动机的运行采用布雷顿循环，高热效率的一个关键参数是涡轮流道温度，而该温度取决于结构材料的承温能力。难熔金属及其合金由于具有高熔点和高温强度而被认为是热端部件的候选材料，然而，抗氧化性差阻碍了其在发动机中的实际应用。通常在金属和陶瓷表面形成致密的 Al 2 O 3 、 Cr 2 O 3 或 SiO 2 保护性氧化膜能阻止金属和陶瓷进一步氧化 ，然而上述三种氧化膜在难熔金属及其合金氧化时很难形成。最近，材料科学家意外的发现难熔高熵合金 (RHEAs) 表面 CrNbO 4 和 CrTaO 4 的形成可阻碍其进一步氧化，遗憾的是，对于这两种材料的研究很少。本文作者曾经对 CrTaO 4 进行了系统研究，发现金红石结构 CrTaO 4 的力学性能与 YSZ 非常接近，热膨胀系数与难熔金属及其合金十分接近，并且具有较低的热导率和优异的抗 CMAS 腐蚀能力，这些性能表明 CrTaO 4 可以成为难熔金属及其合金的热障涂层材料。但是有关 CrNbO 4 的性能研究仍然是空白。此外， CrNbO 4 的密度低于 CrTaO 4 ，在含 Cr-Nb 的低密度 RHEAs 表面生成具有保护性的 CrNbO 4 膜有助于提高发动机的效率、减少油耗。含 Cr-Nb 的 RHEAs 的这些独特性质启发我们进一步研究 CrNbO 4 的结构和性质。
3 、文章亮点
1 ）首次合成了 CrNbO 4 块体材料，并对其显微结构进行了研究，给出了原子尺度的结构特征以及析出的第二相。此外，还给出了一套完整的 CrNbO 4 的 XRD 图谱及衍射数据。
2 ）首次报道了 CrNbO 4 的力学性能，包括体模量、剪切模量和弹性模量、硬度、弯曲强度和断裂韧性。
3 ）首次报道了 CrNbO 4 的热物理性质，包括熔点、德拜温度、各向异性的热膨胀系数和热导率。
4 ） CrNbO 4 具有低热导率，有望成为难熔高熵合金隔热 / 抗氧化双功能保护膜材料。
4 、研究结果及结论
图 1 (a) 在 1150 ℃ 下 2 h 合成的 CrNbO 4 粉末的 XRD 图谱， (b) CrNbO 4 的 XRD 图谱的精修结果， (c) CrNbO 4 粉末的 SEM 图像， (d) CrNbO 4 粉末的粒度分布。
图 2 (a) 1400 ℃/30 MPa 下热压烧结 40 min 制备的块状 CrNbO 4 材料的 XRD 图谱， (b) CrNbO 4 的断口形貌， (c) CrNbO 4 的晶粒分布， (d) 析出相 Cr 2 O 3 的尺寸分布。
图 3(a) 透射电镜图像。红色圆圈和黄色圆圈标记的是 Cr 2 O 3 和 CrNbO 4 晶粒，绿色矩形标记 Cr 2 O 3 /CrNbO 4 界面， (b) Cr 2 O 3 /CrNbO 4 界面处的 HAADF 图像， (c) Cr, Nb ， O 的 EDS 合并图像， (d) Nb 的 EDS 图像， (e ， f) 金红石结构 CrNbO 4 在 [001] 晶轴上的 HAADF 和 ABF 图像， (g)Cr ， Nb 的合并 EDS 图像， (h) 对应于图 (f) 中 ABF 图像的 O 元素的 EDS 图像， (i ， j) 金红石结构的 CrNbO 4 在 [100] 晶带上的 HAADF 和 ABF 图像， (k) Cr ， Nb 的合并 EDS 图像， (l) 对应于图 (j) 中 ABF 图像的 O 元素的 EDS 图像， (m)[001] 带轴的 HAADF 图像和相应的 FFT 图案 ( 插图 ) ， (n) 显示 SRO 区域的逆 FFT 图像， (o) [100] 带轴的 HAADF 图像和相应的 FFT 图案 ( 插图 ) ， (p) 显示 SRO 区域的逆 FFT 图像。
图 4 (a ， b) Cr 2 O 3 沿 [241] 晶带轴的 HAADF 和 ABF 图像， (c ， d) 对应于图 4(a) 和图 4 (b) 中的 Cr 和 O 的 EDS 图谱， (e ， f) Cr 2 O 3 /CrNbO 4 界面处的 HAADF 和 ABF 图像， (g) 对应于图 4(e) 中的 Cr 和 Nb 的合并 EDS 图像， (h) 对应于图 4(f) 中的 ABF 的 O 的 EDS 图像。
图 5 (a) 在 298 K 和 373 – 1473K 温度范围内收集的 XRD 图谱， (b) 归一化晶胞尺寸 ( a 、 c 和 V ) 随温度升高的变化， (c) 通过高温 XRD 测量的线 TEC 和体 TEC 。
图 6 (a) CrNbO 4 的 TEC 表面轮廓， (b ) TEC 表面轮廓在 (001) 和 (100) 晶面上的投影， (c) CrTaO 4 的 TEC 表面轮廓， (d ) TEC 表面轮廓在 (001) 和 (100) 晶面上的投影。
图 7 CrNbO 4 的 (a) 热扩散率， (b) 热容， (c) 热导率随温度的变化曲线。
图 8 (a – d) CrTaO 4 [100] ， (e – h) CrNbO 4 [100], (i-l) Cr 2 O 3 /CrNbO 4 界面处晶格
应变分布 ε xx ， ε yy 和 ε xy 的 GPA 图像。
图 9 (a) 从 298 K 到 1673 K 通过光学膨胀计测量的平均 TEC ， (b)CrNbO 4 与其他低热导率材料之间的热导率、 TEC 和杨氏模量的对比图。
5 、作者及研究团队简介
第一作者：张爽， 郑州大学材料科学与工程学院博士研究生，主要研究方向为高熵陶瓷的成分设计、制备与性能研究。已在 J. Adv. Ceram 、 J. Mater. Sci. Tech . 等上发表 SCI 论文三篇。
通讯作者：王晓辉， 中国科学院金属研究所研究员，博士生导师。中国科学院卢嘉锡青年人才奖、中国科学院优秀博士学位论文、中国科学院院长奖获得者。 1997 年于郑州大学获理学学士学位， 2003 年于中国科学院金属研究所获工学博士学位。从事纳米结构 / 功能陶瓷（包括碳化硅、层状可加工陶瓷、锂离子电池正极材料 LiFePO 4 等）研究。在有影响的 SCI 期刊上发表学术论文 180 余篇，被他人引用万余次，连续入选年度全球 2% 顶尖科学家“年度科学影响力”榜单和“终身科学影响力”榜单。指导研究生多次获得中国科学院院长奖、国家奖学金、师昌绪奖学金。
通讯作者：周延春， 郑州大学特聘教授，国家杰出青年基金、中国科学院院长奖学金特别奖、国家科技进步二等奖、辽宁省自然科学一等奖、美国陶瓷学会 Global Star 奖、美国陶瓷学会 Bridge Builing 奖获得者，入选爱尔思维尔 2019-2024 年中国高被引学者。美国陶瓷学会会士、世界陶瓷科学院院士、亚太材料科学院院士。 Extreme Materials 创刊主编、 J. Adv. Ceram. 、 J. Mater. Sci. Tech. 和 J. Am. Ceram. Soc . 等国际期刊的 Editor 。
研究方向 : 高性能陶瓷及陶瓷基复合材料的设计、制备与性能调控
作者邮箱： yczhou@alum.imr.ac.cn
作者 ORCID ： 0000-0001-5676-5676
作者及研究团队在 Journal of Advanced Ceramics 上发表的相关代表作：
1 ） Yang L, Wang L, Dong S, et al. Lightweight C f /HC–SiBCN composite for multifunctional applications. Journal of Advanced Ceramics , 2025, 14(5): 9221068. https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221068
2 ） Zhang S, Wang X, Zhang C, et al. Microstructure, elastic/mechanical and thermal properties of CrTaO 4 : A new thermal barrier material?. Journal of Advanced Ceramics , 2024, 13(3): 373-387. https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220862
《先进陶瓷（英文）》（ Journal of Advanced Ceramics ） 期刊简介
《先进陶瓷（英文）》 于 2012 年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为清华大学林元华教授、郑州大学周延春教授和广东工业大学林华泰教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被 SCIE 、 Ei Compendex 、 Scopus 、 DOAJ 、 CSCD 等数据库收录。现为月刊，年发文量近 200 篇； 2024 年 6 月发布的影响因子为 18.6 ，连续 4 年位列 Web of Science 核心合集“材料科学，陶瓷”学科 31 种同类期刊第 1 名； 2024 年 11 月入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目； 2025 年入选中国科学院文献情报中心期刊分区表材料科学 1 区 Top 期刊。 2023 年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台 SciOpen 独家发布，标志着该刊结束多年来“借船出海”的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。
期刊主页： https://www.sciopen.com/journal/2226-4108
投稿地址： https://mc03.manuscriptcentral.com/jacer
期刊 ResearchGate 主页： https://www.researchgate.net/journal/Journal-of-Advanced-Ceramics-2227-8508
转载本文请联系原作者获取授权，同时请注明本文来自清华大学出版社学术期刊科学网博客。 链接地址： https://blog.sciencenet.cn/blog-3534092-1488674.html
上一篇： 中山大学伍廉奎团队和广东省新材料所张小锋团队：相结构优化的Al-SiO2复合陶瓷涂层—基于DFT指导的纳米颗粒设计实现优 下一篇： 喜讯｜2024 CiteScore发布，SciOpen期刊喜获佳绩！