文档介绍：中国建材联合会
提名2018年国家自然奖项目公示内容
项目名称
低导热陶瓷的材料设计与热物理性能
推荐单位
中国建筑材料联合会
通讯地址
北京市海淀区三里河路11号(100831)
邮政编码
100831
联系人
罗宁
联系电话
010-57811082
电子邮箱
jclhhkjb@
传真
010-57811082
提名单位(专家)意见
项目获得2017年建筑材料科学技术奖(自然科学类)一等奖。
节能减排是应对目前能源和环境危机的重要策略,而隔热保温技术是提高能源利用效率、降低排放的有效手段之一。本项目针对适用于燃气轮机、航空发动机以及其他高温热机的严苛高温热冲击条件的高强高韧的隔热陶瓷材料,在高温热物理性能、材料结构和成分设计方面取得了一系列理论和应用成果。主要创新点和学术贡献如下:
(1)系统全面的研究了通过晶格点缺陷降低陶瓷材料热导率的原理和方法,相关工作被欧陶主编评价为“权威而且全面”,在此基础上建立的晶格缺陷声子散射模型得到同行认可,并在热障涂层、热电材料、高温热防护材料等领域得到应用,对于完善陶瓷材料高温热物理性能的理论做出了贡献。
(2)提出了调控陶瓷材料高温热物理性能的新颖机制,如“局域非简谐振动机制”以及“间隙子机制”,能够在保持材料高温力学性能的同时大幅度降低热导率、提高热膨胀系数;这些新机制得到国内外同行的认可和采用,在新型热障涂层材料方面设计和研制方面发挥了引领性作用。
(3)研制了一系列新型热障涂层候选材料,其中掺杂Sm2Zr2O7和Gd2Zr2O7在目前世界工作温度最高的燃气轮机上得到成功应用。
项目完成人在物理、材料、陶瓷领域权威期刊PRL、PRB、ACTA MATER、JACerS发表近三十篇具有重要影响力的论文,由于在低导热陶瓷研究以及结构陶瓷研究方面的独特贡献,第一完成人于2015年度入选世界陶瓷科学院院士。
拟推荐该项目为国家自然科学奖二等奖。
项目简介
项目属于特种陶瓷领域。耐高温、低导热、高热膨胀、高强高韧的陶瓷涂层是提高燃气轮机等热机金属部件使役温度极限、热效率和可靠性的关键技术。降低陶瓷热导率的同时保持材料高温热机械性能和高热膨胀系数是当今国内外陶瓷热障涂层领域的技术难点。团队自2001年起在863计划、自然科学基金等资助下,从陶瓷点缺陷、结构设计入手系统研究了陶瓷热导率变化的影响因素,发现了降低陶瓷热导率、提高热膨胀系数、改善高温热稳定性的新原理和新方法,研制了一系列具有优异隔热性能及高温机械性能的热障涂层陶瓷材料。主要创新点有:
(1)系统研究了复杂氧化物结构中引入点缺陷大幅降低热导率的原理和方法,提出了点缺陷引起的局域化学键变化、晶格畸变以及质量起伏对热传导声子的散射机制,建立声子散射定量物理模型,提出了耐高温低热导陶瓷材料的设计准则。理论模型已经在热障涂层、热电材料等多个领域得到应用。针对具有多声子模式的复杂结构氧化物陶瓷,进一步深入探索了陶瓷材料中的本征声子散射的微观机制以及声子传导的空间分布规律,由此建立了基于第一性原理的陶瓷热传导的计算方法。计算方法被俄罗斯科学院院士A. L. Ivanovskii认为是“获得复杂材料体系各向异性性质的有效手段”,两篇相关论文引用次数分别位列著名材料科学期刊Acta Mater同年发表所有论文的前2%。
(2)在陶瓷材料中发现了可显著降低热导率的“局域非简谐振动强声子散射机制”,由此可使陶瓷材料呈现类非晶的极低热导率。国内外热障涂层和热传导专家认为“局域非简谐振动强声子散射(Rattling)现象是获得陶瓷更低热导率的新机制”,并据此研制多种具有实用价值的高性能低导热涂层材料。发现了晶格间隙阳离子可以大幅度提高陶瓷热膨胀系数,能够有效缓解陶瓷涂层/合金热失配引起的热应力并提高热障涂层热循环寿命,被国内外相关研究团队多次验证和使用,成果作为无机反应领域“重要和创新性”进展被著名文摘期刊ChemInform收录。
(3)基于上述理论成果,通过成分与结构设计,研制出一系列新型高温稳定、低导热、高热膨胀的陶瓷材料,热导率比传统YSZ热障涂层材料下降37%~58%,其中研制的掺杂Sm2Zr2O7和Gd2Zr2O7系列材料已经成功应用于目前世界上工作温度最高(1600℃)的燃气轮机。国际航空结构材料专家Nitin P. Padure教授在Nature Materials上发表的综述文章中作为低热导材料领域典型性进展介绍了本研究成果。
项目共发表SCI论文80余篇,包括物理类顶级期刊PRL2篇、PRB2篇、Acta Mater 10篇、陶瓷领域顶级刊物JACerS和JECerS15篇,受邀在MRS Bull热障涂层专刊以及JECerS上发表低热导材料发展综述2篇。8篇代表作SCI他引38