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【用户成果】可视化烧结技术：精准测定Ca₄Ta₂O₉与Mg₄Ta₂O₉陶瓷致密化温度窗口

昆明理工大学材料科学与工程学院冯晶教授团队在《Ceramics International》上发表了论文。本系统研究了两种新型钽酸盐陶瓷 Ca₄Ta₂O₉ 和 Mg₄Ta₂O₉，作为新型热障涂层（TBCs）候选材料的可行性，重点关注其烧结行为、热膨胀性能、热传输性能及相稳定性。

2026-07-24

DOI：10.1016/j.ceramint.2022.04.331

昆明理工大学材料科学与工程学院冯晶教授团队在《Ceramics International》上发表了题为“Sintering, thermal expansion, and thermal transport properties of A₄Ta₂O₉ (A= Ca, Mg) tantalates”的论文。本系统研究了两种新型钽酸盐陶瓷 Ca₄Ta₂O₉ 和 Mg₄Ta₂O₉，作为新型热障涂层（TBCs）候选材料的可行性，重点关注其烧结行为、热膨胀性能、热传输性能及相稳定性。

研究背景

热障涂层(TBCs)是航空发动机和燃气轮机高温部件的重要保护材料，其通过降低热传导来提高燃油效率。目前广泛应用的是氧化钇稳定氧化锆(YSZ)，但其使用温度被限制在1200°C以下，主要原因是高温下会发生相变导致性能退化。为突破这一温度限制，研究者们发现了稀土钽酸盐(RETaO₄)这类具有铁弹性相变带来的高韧性、最高工作温度可达1600°C、热导率低至约1.15 W·m⁻¹·K⁻¹、热膨胀系数高达约11.0×10⁻⁶ K⁻¹等优异性能的新型热障涂层材料，但稀土元素资源有限、价格昂贵成为其应用瓶颈。因此，为了克服稀土元素的稀缺性和高成本问题，本研究尝试用低成本的CaO和MgO替代稀土氧化物，制备新型A₄Ta₂O₉钽酸盐陶瓷，并系统研究其致密化烧结、热膨胀性能、相稳定性和热传输性能，以评估其作为新型热障涂层材料的潜力。

样品合成及烧结行为

1)原料：AO(A=Ca, Mg)+Ta₂O₅ (纯度≥99.9%)

2)球磨混合(300 rpm, 10h)→干燥→压制圆片

天津中环电炉可视化高温形变分析仪TA-Z16A助力样品致密化烧结行为：

随着温度的升高(1200–1300°C)，体积收缩率保持不变，并且在该温度范围内具有最高的相对密度。

◆Ca₄Ta₂O₉：最佳烧结温度为1200–1300°C，相对密度达 97.8%

◆Mg₄Ta₂O₉：最佳烧结温度为1240–1300°C，相对密度高达 99.8%

◆超过1300°C后，体积收缩率下降，相对密度降低（可能出现过烧或孔隙增加）

3)SPS等离子烧结：1300℃，120MPa，10min

性能指标汇总

结论

钽酸盐陶瓷作为新型热障涂层（TBCs）候选材料，具有以下核心结论：

1) 致密化烧结性能优异：通过光学接触角测试仪测定了体积收缩率和相对密度随温度的变化，确定了最佳的致密化烧结温度。所制备的Ca₄Ta₂O₉和Mg₄Ta₂O₉陶瓷相对密度分别高达97.8%和99.8%。

2) 力学性能满足热障涂层要求：两种材料均具有较高的硬度、合适的杨氏模量和相对较高的断裂韧性，其力学性能主要由原子间的键合强度控制，符合氧化物热障涂层的基本要求。

3) 高热膨胀系数与低热导率：在1200°C时，Ca₄Ta₂O₉和Mg₄Ta₂O₉的热膨胀系数分别达到11.4×10⁻⁶ K⁻¹和11.8×10⁻⁶ K⁻¹；在900°C时，其热导率分别为1.93 W·m⁻¹·K⁻¹和1.78 W·m⁻¹·K⁻¹。这些优异的热物理性能主要源于强烈的非简谐晶格振动。

4) 优异的相稳定性：两种材料在1300°C以上仍能保持稳定的晶体结构，无明显相变发生，表明它们可在超过1300°C的高温环境下长期使用。

中环电炉设备介绍

可视化高温形变分析仪，光学非接触法测量材料烧结过程膨胀收缩。材料在变温过程中形状、尺寸及物态变化在线实时观测，并通过智能化数据采集与图像处理系统给出直观、准确的数据及图形报告，产品性能与国际同类产品相当，处于国内领先水平。可视化高温形变分析仪用于材料研发与制造，有助于精确制定材料烧结工艺或热处理工艺，提高产品质量，降低生产成本。

主要功能

◆ 高温测试：最高使用温度1600℃/2000℃

◆ 实时动态测量烧结过程中收缩形变：非接触测量和记录样品烧结过程中高度、宽度和面积随温度变化曲线

◆ 判断各特征温度：烧结点、软化点、球化、半球化、熔点