Встраивание двумерных пластин Al2O3 в керамику YSZ для применения при высоких температурах

Защита двигателей от экстремального тепла

Современные реактивные двигатели и газовые турбины работают при таких температурах, что даже современные металлы нуждаются в керамическом «щите», чтобы не разрушаться. Однако существующие керамические покрытия испытывают трудности при воздействии интенсивного нагрева и коррозионного пепла, что ограничивает эффективность работы двигателей. В этой статье описан новый способ создания более прочной и жаростойкой керамической защиты путём упорядоченного размещения крошечных плоских пластин альмины (формы оксида алюминия) внутри широко используемой керамики — зирконии, стабилизированной иттрией (YSZ).

Почему существующие керамические щиты не всегда справляются

YSZ — основная рабочая керамика для термобарьерных покрытий, которые изолируют лопатки турбины и другие горячие элементы. Она сочетает хорошую прочность с необычной способностью деформироваться с небольшим разрушением. Но при экстремальных температурах внутри двигателей YSZ пропускает значительную часть ближнего инфракрасного излучения — невидимого вида света, переносящего тепло — поэтому металл под покрытием всё ещё может перегреваться. Хуже того, взвешенный в воздухе пепел, богатый кальцием, магнием, алюминием и кремнием, может расплавляться на поверхности в стекловидную жидкость, известную как CMAS. Этот расплав разъедает YSZ, вызывает вредные изменения кристаллической структуры и со временем лишает материал прочности.

Новый тип армирующих пластин

Для решения этих проблем исследователи выбрали в качестве вспомогательного материала альмину. Она тверда, химически устойчива и уже применяется в жёстких высокотемпературных средах. Вместо того чтобы вводить её в виде обычных зерен, альмину применили в форме тонких пластинок — крошечных хлопьев толщиной доли микрометра и размерами в несколько микрометров. Разработали технологию, которая аккуратно перемешивает эти пластинки с порошком YSZ в воде, защищает их от повреждений при смешивании, а затем с помощью сочетания вибрации, силы тяжести, нагрева и давления при спекании выравнивает их почти параллельно внутри твёрдой керамики. В результате получается плотный композит, в котором стопки плоских алюминиевых пластин встроены в матрицу YSZ словно страницы в книге.

Отражение тепла и света

Упорядоченные пластинки радикально меняют поведение материала по отношению к теплу. В обычном YSZ более половины ближнего инфракрасного света с длиной волны около двух микрометров может пройти прямо через образец толщиной один миллиметр, внося вклад в радиационный теплообмен. Напротив, новый композит с алюминиевыми пластинками пропускает менее десяти процентов света в измеренном диапазоне. Плоские пластинки и контраст оптических свойств между альминой и YSZ заставляют входящее излучение многократно рассеиваться и отражаться, вместо того чтобы проникать внутрь. Это также снижает долю теплопроводности, переносимой излучением, примерно до одной пятой от значения чистого YSZ при 1000 °C. Одновременно множество границ между YSZ и пластинками рассеивают тепловые вибрации в твердой фазе, дополнительно уменьшая теплопроводность без увеличения пористости материала.

Устойчивость к коррозионному пеплу и трещинам

Параллельно ориентированные алюминиевые пластины также действуют как барьер против атаки CMAS. При воздействии расплавленного CMAS при 1250 °C чистый YSZ подвергся глубокому проникновению — почти на 200 микрометров в материал. Добавление альмины в виде случайных частиц несколько помогало, но размещение её в виде пластинок сократило глубину проникновения примерно до 40 процентов от таковой в чистом YSZ. Химические реакции на поверхностях пластин формируют защитный кристаллический слой, который удерживает расплавленный пепел близко к поверхности, а не даёт ему просочиться внутрь. Между тем, механические испытания и компьютерное моделирование показывают, что пластинки отклоняют и мостируют растущие трещины. Локальные изменения в кристаллической структуре YSZ рядом с интерфейсом альмины способствуют тому, чтобы трещины шли более извилистыми путями, увеличивая энергию, необходимую для их распространения. В результате композит сохраняет большую твёрдость и вязкость разрушения по сравнению с чистым YSZ от комнатной температуры до нескольких сотен градусов Цельсия.

Что это значит для реальных машин

В совокупности эти эффекты делают армированную альминой YSZ как лучшим теплоизолятором, так и более прочным щитом против коррозионных отложений и механических повреждений. На практике такие покрытия могли бы позволить лопаткам турбин и аналогичным компонентам работать при более высоких температурах и дольше без отказа, повышая КПД двигателей и снижая расход топлива. Исследование также демонстрирует общую стратегию: встраивая устойчивые двумерные оксидные пластинки в упорядоченный выровненный массив внутри керамики, инженеры могут управлять тем, как тепло, свет и трещины перемещаются по материалу. Это открывает путь к новому поколению высокотемпературных керамик, спроектированных изнутри для работы в одних из самых жёстких условий, которые может создать техника.

Цитирование: Yang, Z., Zhang, X., Jin, J. et al. Embedding two dimensional Al₂O₃ platelets array into YSZ ceramics for high-temperature applications. Nat Commun 17, 2988 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69355-7

Ключевые слова: термобарьерные покрытия, зиркония, стабилизированная иттрией, алюминиевые пластинки, высокотемпературные керамики, коррозия CMAS