在随机分布的钽酸盐-铌酸盐复合陶瓷中的双声子-光子散射现象及其在1273 K以上温度下的热屏蔽应用

《ACTA MATERIALIA》：Dual Phonon-Photon Scattering in Randomized Tantalate-Niobate Duplex Ceramics for >1273 K Thermal Shielding

　　超低热导率陶瓷材料通过双相结构设计实现 phonon 和 diffuson 模式转换，有效抑制高温热辐射传递。采用 Y3NbO7 基体与 GdTaO4 颗粒复合，通过调控界面结构和光学特性，在 1273 K 下实现 1.29 W·m?1·K?1 的超低有效热导率。研究揭示了多尺度结构设计对声子散射、晶界扩散及红外屏蔽的协同作用机制。

　　

陈国亮|谢恩宇|赵青远|孙一帆|傅浩阳|王瑞|王书琪|邹永春|王亚明|邱俊|欧阳嘉虎|宋永帅|贾德昌|周宇

引言

具有超低热导率的材料对于热管理应用至关重要，例如在热电设备中维持较大的温度梯度以提高能量转换效率，以及保护涡轮发动机部件免受过热[[1], [2], [3], [4], [5]]。传统上降低热导率（κ）的方法主要集中在调控声子传输上，这些方法基于简单的动力学理论：$\kappa =1/3C_{v}vl$，其中 C_v 是恒容比热，v 表示群速度，l 表示热载流子的平均自由路径[[6], [7], [8], [9]]。在超过德拜阈值的高温下，声子活性达到峰值，受到杜隆-珀蒂定律的限制，这使得它们的热传导能力（C_v）被限制在 3k_{B，平均自由路径（l）也被限制在离子间距范围内[10]。因此，降低声子的群速度（v）成为在高温下减小热导率的一种可行方法。由于群速度与键刚度与原子质量的比值的平方根成正比，利用较大的原子质量可以直接筛选出具有低声子热导率的高级隔热材料，如稀土铌酸盐、钽酸盐、锆酸盐、铈酸盐和铪酸盐等[[10], [11], [12], [13], [14]]。最近的研究表明，特别是 Re3NbO7 稀土铌酸盐陶瓷，由于显著的原子间键合波动和由此产生的声子模式软化效应，表现出异常低的声子热导率，接近理论极限[15,16]。}

除了声子介导的热传递外，光子在高温下的热传递贡献也越来越重要，因为光子与温度之间存在四次方关系，这一因素在热管理讨论中经常被忽视[17]。在隔热陶瓷中观察到的一个常见现象是，即使声子热导率已经达到非晶极限并变得与温度无关，但在温度超过 800 K 时，测得的热导率仍会出现异常增加[18,19]。最先进的热障陶瓷，如 Y₃NbO₇，在 0.5-10 μm 波长范围内具有高透明度（厚度为 1mm 时约为 60%）[20]，这与 1000 K 以上黑体辐射的峰值波长相吻合。这种透明度是由于在该光谱区域内消光系数接近零所致，这归因于阴离子-阳离子对中不存在极化子振动[21]。因此，尽管这些材料具有低声子热导率，但由于对热辐射的高透明度，它们在高温下的隔热性能较差[22,23]。

迄今为止，一些研究人员通过引入外来原子来散射光子，以应对高温隔热挑战，类似于通过增强声子散射来降低晶格热导率的策略[24]。虽然通过增加材料的成分复杂性来引入无序确实成功地将晶格热导率降低到了理论极限（如高熵陶瓷所示），但同时降低光子热导率却颇具挑战性[25,26]。例如，Wright 等人[27] 对 40 种基于铌酸盐/钽酸盐的陶瓷进行了全面研究。通过增加替代成分的多样性，他们成功地将热导率降低到了理论声子极限。然而，这种进步伴随着高温下温度依赖性热导率的显著增加，这对有效屏蔽光子热传递构成了重大障碍。Wan 等人[20] 尝试调整 Re/Nb 阳离子与氧离子/空位的比例，但这对铌酸盐的固有红外透明度影响甚微。虽然加入吸收离子（如 Ca 和 Fe）可以增强吸收系数，从而减少热辐射传递[28]，但这种好处被不可避免的热量增加、晶粒过度生长以及随之而来的固体热导率上升所抵消[29]。

在本文中，我们提出了一种新的方法来克服高温辐射穿透的局限性，即通过设计折射率差异的双层结构。通过将 GdTaO₄ 战略性地嵌入 Y₃NbO₇ 基体中，我们利用异质界面结构实现了强烈的米氏散射，从而在 1273 K 时获得了 1.29 W·m^-1·K^-1₄ 和 Y₃NbO₇ 中的光子散射与热载流子传输模式（分别为声子和扩散）之间的转换，优化了双层陶瓷结构，从而有效抑制了高温热传递。我们对 GdTaO₄ 中界面扩散和铁电畴的分析解释了陶瓷的高热膨胀系数（CTE）值，确保了其与超级合金的兼容性，并使其非常适合用于隔热涂层应用。这种基于结构化学和非吸收光学设计的理念可广泛应用于各种材料系统，为先进热管理和热电材料的合理开发提供了有价值的框架。

部分摘录

钽酸盐-铌酸盐双层陶瓷的制备

Y₃NbO₇-GdTaO₄ 双层陶瓷是通过多步骤固态路线制备的，包括前驱体合成、粉末均质化、压实成型和高温烧结。使用高纯度的 Y₂O₃、Nb₂O₅、Gd₂O₃ 和 Ta₂O₅ 粉末（≥99.9%，约 1 μm，上海 ST-Nano Technology Co., Ltd.，中国）作为起始材料。为了合成单相前驱体，分别将 Y₂O₃ 和 Nb₂O₅ 按化学计量比混合制备 Y₃NbO₇，将 Gd₂O₃ 和 Ta₂O₅ 混合制备 GdTaO₄

复合陶瓷的结构

通过在代表性温度下中断加热过程，研究了 Y₃NbO₇-GdTaO₄ 双层陶瓷在烧结过程中的微观结构和元素演变（图 2，区域 I-VI）。在 873 K（区域 I）时，绿色压实体保持了松散的颗粒形态，颗粒之间没有明显的缩颈现象。EDS 图谱显示所有组成元素分布均匀，表明 Y₃NbO₇ 和 GdTaO₄ 前驱体粉末在烧结前已充分混合

结论

总结来说，这项工作开发了一种不透热射线的 Y₃NbO₇-GdTaO₄ 双层陶瓷，其有效热导率极低，具有优异的高温隔热性能。低热导率和超低红外透射率的结合归因于结构工程促进的光子和声子散射。通过优化半径为 1.35 μm 的 GdTaO₄ 相，这种包裹的次级相有效散射了光子

数据可用性

本研究生成或分析的所有数据均包含在发表的文章和补充材料中，可根据合理要求向相应作者索取。

CRediT 作者贡献声明

陈国亮：撰写——初稿、研究、概念构思。谢恩宇：方法论、研究、数据整理。赵青远：验证、研究、形式分析。孙一帆：验证、方法论、研究。傅浩阳：撰写——审阅与编辑、验证、概念构思。王瑞：可视化、验证。王书琪：资源获取、方法论、形式分析。邹永春：可视化、验证、资源获取。王亚明：撰写——审阅与编辑