将二维 Al2O3 板状颗粒阵列嵌入 YSZ 陶瓷以用于高温应用

保护发动机免受极端高温

现代喷气发动机和燃气轮机运行温度极高，即便是先进金属也需要陶瓷“护盾”来生存。然而，现有的陶瓷涂层在面对强烈热负荷和腐蚀性灰渣时表现不佳，限制了发动机的运行效率。本文报告了一种新方法，通过在一种常用陶瓷——钇稳定氧化锆（YSZ）中有序排列微小的氧化铝（铝氧化物）薄片，来构筑更坚韧、更耐高温的陶瓷护甲。

为何现有陶瓷护盾不足

YSZ 是用于隔热涂层的主力材料，用于保护涡轮叶片和其他高温部件。它兼具良好强度和在小变形下不易开裂的特殊能力。但在发动机的极高温度下，YSZ 对近红外辐射的透过率很高——近红外是一种携带热量的不可见光，这会使金属基体仍然过热。更糟糕的是，含钙、镁、铝和硅的空中灰渣会在表面熔融成一种玻璃状液体（称为 CMAS）。这层熔融物会侵蚀 YSZ，触发其晶相的有害变化，最终削弱材料的韧性。

一种新的加固片状结构

为应对这些问题，研究者选择了氧化铝作为辅助材料。氧化铝硬度高、化学稳定，并已在恶劣高温环境中使用。研究者没有将其作为普通颗粒混入，而是采用薄片形式——厚度仅为亚微米量级、横向尺度为数微米的微小片状体。他们设计了一种工艺路线，在水相中温和混合这些片状体与 YSZ 粉末，保护薄片在混合过程中的完整性，然后在烧结过程中通过振动、重力、热与压力的组合使薄片几乎平行排列于固体陶瓷内部。其结果是获得一种致密复合材料，其中平叠的氧化铝薄片像书页一样嵌入在 YSZ 基体中。

反射并散射热与光

有序排列的片状体显著改变了材料对热的处理方式。在普通的 YSZ 中，约二微米波长附近的一半以上近红外光可以穿透一毫米厚的样品，导致辐射热传递。而新型含氧化铝薄片的复合材料在整个测量范围内的透过率低于百分之十。平板结构及氧化铝与 YSZ 之间的光学性质差异使入射光多次散射和反射，而非直接穿透。这也将辐射所占的热导率部分在 1000 °C 时降低到纯 YSZ 的约五分之一。同时，YSZ 与薄片之间的众多界面会散射在固体中传递热量的振动（声子），在不使材料变多孔的情况下进一步降低热流。

抵抗腐蚀性灰渣和裂纹

平行排列的氧化铝薄片也作为 CMAS 侵蚀的屏障。暴露于 1250 °C 熔融 CMAS 时，纯 YSZ 出现了深度侵入——接近 200 微米。将氧化铝以随机颗粒形式加入能有所改善，但以薄片形式排列则将侵入深度降至纯 YSZ 的约 40%。薄片表面的化学反应生成一层保护性的晶体层，将熔融灰渣困于表层而不是向下渗透。与此同时，力学测试与计算机模拟表明，薄片能偏转并搭桥发展中的裂纹。YSZ 在氧化铝界面附近的局部晶相变化有助于将裂纹引导为更曲折的路径，从而增加裂纹扩展所需的能量。因此，该复合材料在从室温到数百摄氏度范围内保持了比纯 YSZ 更高的硬度和断裂韧性。

对实际设备的意义

这些效应共同使得含氧化铝增强的 YSZ 陶瓷既具备更好的绝热性能，又能更耐腐蚀沉积物和机械损伤。从实际角度看，这类涂层可以使涡轮叶片和类似部件在更高温度下更长时间运行而不失效，从而提高发动机效率并降低燃油消耗。该研究还展示了一种通用策略：通过在陶瓷内部受控、对齐地嵌入稳定的二维氧化物薄片，工程师可以定制材料中热、光和裂纹的传播方式。这为面向最苛刻环境的下一代高温陶瓷提供了一条从内而外设计的路径。

引用: 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

关键词: 热屏蔽涂层, 钇稳定氧化锆, 氧化铝片状颗粒, 高温陶瓷, CMAS 腐蚀