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郑州大学周延春团队：兼具抗氧化和低热导的双功能材料CrNbO4 精选

已有 6810 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 CrNbO₄: 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_CrNbO₄_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CrNbO₄后可以提高其抗氧化性能。然而，对这种复杂氧化物CrNbO₄的性能仍不了解。本文首次报道了 CrNbO₄ 的合成方法、显微结构、力学性能和热学性能。结果表明CrNbO₄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Al₂O₃、Cr₂O₃和SiO₂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Al₂O₃、Cr₂O₃或SiO₂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CrNbO₄和CrTaO₄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CrTaO₄进行了系统研究，发现金红石结构CrTaO₄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CrTaO₄可以成为难熔金属及其合金的热障涂层材料。但是有关CrNbO₄的性能研究仍然是空白。此外，CrNbO₄的密度低于CrTaO₄，在含Cr-Nb的低密度RHEAs表面生成具有保护性的CrNbO₄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CrNbO₄的结构和性质。

3、文章亮点

1）首次合成了CrNbO₄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CrNbO₄的XRD图谱及衍射数据。

2）首次报道了CrNbO₄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CrNbO₄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）CrNbO₄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CrNbO₄粉末的XRD图谱，(b) CrNbO₄ 的XRD图谱的精修结果，(c) CrNbO₄粉末的SEM图像，(d) CrNbO₄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CrNbO₄材料的XRD图谱， (b) CrNbO₄的断口形貌， (c) CrNbO₄的晶粒分布，(d) 析出相Cr₂O₃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Cr₂O₃和CrNbO₄晶粒，绿色矩形标记Cr₂O₃/CrNbO₄界面，(b) Cr₂O₃/CrNbO₄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CrNbO₄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CrNbO₄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) Cr₂O₃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) Cr₂O₃/CrNbO₄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) CrNbO₄的TEC表面轮廓， (b ) TEC表面轮廓在(001)和(100)晶面上的投影，(c) CrTaO₄的TEC表面轮廓，(d ) TEC表面轮廓在(001)和(100)晶面上的投影。

图7 CrNbO₄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) CrTaO₄ [100]，(e–h) CrNbO₄ [100], (i-l) Cr₂O₃/CrNbO₄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)CrNbO₄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LiFePO₄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 CrTaO₄: 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。