Zirconate Gadolinium: Vật liệu chắn nhiệt bền vững, hiệu suất cao

Độ dẫn nhiệt (κ) đo mức độ nhiệt dễ dàng truyền qua vật liệu. κ của gadolinium zirconate thấp đáng kinh ngạc đối với gốm, đặc biệt là ở nhiệt độ giống như động cơ. Các nghiên cứu báo cáo các giá trị theo thứ tự 1–2 W·m⁻¹·K⁻¹ ở khoảng 1000 °C. Để biết bối cảnh, zirconia ổn định yttria thông thường (YSZ) - tiêu chuẩn TBC đã có từ nhiều thập kỷ - là khoảng 2–3 W·m⁻¹·K⁻¹ ở nhiệt độ tương tự. Trong một nghiên cứu, Wu et al. phát hiện ra rằng độ dẫn của Gd₂Zr₂O₇ là ~1,6 W·m⁻¹·K⁻¹ ở 700 °C, so với ~2,3 đối với YSZ trong cùng điều kiện. Một báo cáo khác ghi nhận phạm vi 1,0–1,8 W·m⁻¹·K⁻¹ ở 1000 °C đối với gadolinium zirconate, “thấp hơn YSZ”. Về mặt thực tế, điều này có nghĩa là lớp GdZr₂O₇ sẽ cho ít nhiệt đi qua hơn nhiều so với lớp YSZ tương đương ở nhiệt độ cao – một lợi thế rất lớn về mặt cách nhiệt.

Lợi ích chính của Gadolinium Zirconate (Gd₂Zr₂O₇):

Độ dẫn nhiệt cực thấp: ~1–2 W/m·K ở 700–1000 °C, thấp hơn đáng kể so với YSZ.

Độ ổn định pha cao: Duy trì độ ổn định lên đến ~1500 °C, cao hơn nhiều so với giới hạn ~1200 °C của YSZ.

Độ giãn nở vì nhiệt cao: Giãn nở nhiều hơn khi đun nóng so với YSZ, có thể làm giảm ứng suất trong lớp phủ.

Chống oxy hóa và ăn mòn: Tạo thành các pha oxit ổn định; chống lại các cặn CMAS nóng chảy tốt hơn YSZ (zirconicat đất hiếm có xu hướng phản ứng với các cặn silicat và tạo thành các tinh thể bảo vệ).

Tác động sinh thái: Bằng cách cải thiện hiệu suất của động cơ/tua bin, giúp giảm mức tiêu thụ nhiên liệu và lượng khí thải.

Mỗi yếu tố này đều liên quan đến hiệu quả năng lượng và tính bền vững. Vì GdZr₂O₇ cách nhiệt tốt hơn, động cơ cần ít làm mát hơn và có thể chạy nóng hơn, chuyển trực tiếp thành hiệu quả cao hơn và sử dụng ít nhiên liệu hơn. Theo một nghiên cứu của Đại học Virginia, hiệu quả TBC tốt hơn có nghĩa là đốt "ít nhiên liệu hơn để tạo ra cùng một lượng năng lượng, dẫn đến ... lượng khí thải nhà kính thấp hơn". Tóm lại, gadolinium zirconate có thể giúp máy chạy sạch hơn.

Độ dẫn nhiệt chi tiết

Để trả lời câu hỏi chính "Độ dẫn nhiệt của gadolinium zirconate là bao nhiêu?": Độ dẫn nhiệt rất thấp đối với gốm, khoảng 1–2 W·m⁻¹·K⁻¹ trong phạm vi 700–1000 °C. Điều này đã được xác nhận bởi nhiều nghiên cứu. Wu và cộng sự báo cáo ≈1,6 W/m·K ở 700 °C đối với Gd₂Zr₂O₇, trong khi YSZ đo được ≈2,3 trong cùng điều kiện. Shen và cộng sự lưu ý "1,0–1,8 W/m·K ở 1000 °C". Ngược lại, độ dẫn nhiệt của YSZ ở 1000 °C thường vào khoảng 2–3 W/m·K. Theo thuật ngữ hàng ngày, hãy tưởng tượng hai tấm cách nhiệt trên một bếp lò nóng: tấm có GdZr₂O₇ giữ cho mặt sau mát hơn nhiều so với tấm YSZ có cùng độ dày.

Tại sao Gd₂Zr₂O₇ lại thấp hơn nhiều như vậy? Cấu trúc tinh thể của nó vốn đã cản trở dòng nhiệt. Các chỗ khuyết oxy trong mỗi ô đơn vị phân tán phonon (chất mang nhiệt) và trọng lượng nguyên tử lớn của gadolinium làm giảm thêm các dao động mạng. Như một nguồn giải thích, "chỗ khuyết oxy làm tăng sự phân tán phonon và làm giảm độ dẫn nhiệt". Các nhà sản xuất khai thác đặc tính này: Danh mục của Epomaterial ghi chú GdZr₂O₇ được sử dụng trong lớp phủ chắn nhiệt phun plasma cụ thể là do κ thấp của nó. Về bản chất, cấu trúc vi mô của nó giữ nhiệt bên trong, bảo vệ kim loại bên dưới.