近日，哈尔滨工业大学王亚明、陈国梁、 王树棋在Advanced Powder Materials期刊(IF=24.9)上发表了以“Second-phase composite engineering endows Gd3TaO7-based ceramic with broadband infrared radiation”为题的研究性论文!
一、研究背景
辐射热管理通过热传导和热辐射调节能量，在航空航天、核电工程、能源和化学工业等高温领域战略意义突出。随着温度升高(>1073K)，热辐射占比增加，其强度由表面红外发射率决定(Stefan-Boltzmann定律)。然而，仅关注表面光热转换而忽略膜层内热传导，难以实现真正的高效隔热。因此，唯有“高发射率+低导热率”协同设计进行热管理，才能在高温热防护中发挥有效作用，具有广阔的应用前景。
例如，
光伏发电系统需最大化提高热光子的转换效率，并最大化降低传导损耗;工业炉依赖高发射、低导热的耐火墙体提升能源效率，满足节能要求;飞行器热端部件(如发动机叶片)通过隔热涂层以辐射散热，并减轻热量造成的极端高温损伤。当前策略(设计多层结构、表面微观结构等)受限于界面失配、机械强度弱及热稳定性差，难以兼顾安全性与可靠性。因此，开发具有高发射率、低导热性、高温稳定性和足够机械性能的热防护材料仍然是一项重大挑战。
二、研究成果
鉴于此，哈尔滨工业大学王亚明、陈国梁、 王树棋报道了一种Gd3TaO7/GdFeO3复合陶瓷，具有宽带(0.78-14μm)高发射率(接近0.9)、低导热性(1.62W·m-1·K-1)和断裂韧性(2.3MPa·m1/2，靠近YSZ)。通过引入第二相GdFeO3，许多晶格畸变、多模振动和额外的氧空位(Ov)共同提升了复合陶瓷的宽带发射率(尤其是在2.5-6μm波段，其发射率几乎是Gd3TaO7的5倍)。这种高红外发射率显著抑制了高温下光子热导率的升高，进而实现了超低的热导率。此外，两相中稳定的原子排列赋予了优异的高温稳定性(1773K，200h)。断裂韧性的提高主要得益于第二相诱导的裂纹尖端偏转、桥接与分支，从而防止裂纹扩展。所有这些优势使这种第二阶段复合战略在开发新一代超高温辐射热管理材料方面极具竞争力。
三、图文速递
图1.材料表征
图2.红外辐射性能和热稳定性
图3.GTFO背后的辐射机制
图4.热性能
图5.机械性能和断裂行为
四、结论与展望
总之，这项研究成功开发了具有高发射率(接近0.9，0.78-14μm)，低导热性(1.62W·m-1·K-1∼1473K) ，断裂韧性高(2.3MPa·m1/2)的复合
稀土钽酸盐陶瓷(GTFO)。其中，球形第二相GdFeO3颗粒接近1.5μm，并且分布在Gd3TaO7基质中。GdFeO3内部Fe2+/Fe3+的可变价态行为引发的极性吸收机制与增加的氧空位(68%)相结合，大大降低了电子吸收的难度，使GTFO在近红外区域(0.78-2.5μm)具有高吸收率。第二相引入的晶格畸变和额外晶格振动则在中红外波段(MIR，2.5-14μm) 维持接近 0.9 的高发射率。此外，GTFO保持低导热率(1.62W·m-1·K-1)，并有效抑制了高温(高于1273K)下热辐射引起的热导率曲线的向上弯曲，结合高发射率实现卓越隔热。由于GdFeO3颗粒有效抑制了裂纹扩展，GTFO具有很高的断裂韧性。值得注意的是，即使在高温(1773K，200h)下进行了长时间的热稳定性测试后，GTFO的发射率也保持稳定，表明其具有优异的热稳定性。这种钽酸盐陶瓷有望在极端温度环境中成为辐射热管理系统的优秀候选者，其设计策略在推进下一代TBCs材料方面潜力巨大，并将在航空航天等多个领域广泛应用。
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