对耐热涂层的氧化反应的研究 以求提高涡轮发动机的效率

飞机的航空燃气涡轮发动机的某些部分通常会达到1200°C以上的温度。在如此恶劣的环境中使用的任何材料都必须经久耐用并能胜任这项工作。

由碳化硅（SiC）制成的陶瓷基复合材料已成为燃气涡轮发动机的有希望的候选者。但是，这些材料需要耐热涂层以防止SiC的氧化和SiO 2的蒸发，这是导致材料体积减小的过程，因此会导致诸如大裂缝或涂层剥落，以及对顶部对结构的损害。

不幸的是，现有的涂层不能完全阻止SiO 2的氧化过程，因为氧气可以透过这些层中的细微裂纹或通过简单的扩散而渗透。

为了解决这个问题，一些科学家专注于使用硅化（Yb-Si）作为涂层材料，因为Yb-Si可以达到高熔点，并且它们的氧化物主要是Yb-硅酸盐，它们作为氧化物层保持附着，而不会容易蒸发。然而，人们对于这些材料在高温下中会发生何种变化知之甚少。

在最近发表在《金属间化合物》上的一项研究中，一组科学家组成，包括东京理科大学的初级副教授井上亮，副教授荒井裕太郎和工夫康雄教授，以及日本航天探索局（JAXA）的高级研究员青木拓ya了解Yb-Si中的氧化机理。他们进行了各种实验，以了解高温下在三种类型的气氛（空气，水蒸气以及两者的混合物）下不同Yb-Si涂层的氧化行为和降解反应。

通过X射线衍射分析、能量色散谱和扫描电子显微镜，科学家们能够准确地可视化和量化热暴露试验前后Yb-Si样品的形貌和成分。主要发现之一是，Yb/Si是决定材料氧化行为的主要因素；由于Yb在硅化物中的优先氧化，Yb5Si3氧化程度高于Yb3Si5。此外，在水蒸气含量较高的大气中，氧化物的数量显著减少。

最重要的是，研究人员探讨了content含量影响SiO 2形成的机理。“蒸汽两种硅化物的热暴露后，我们发现的SiO 2被氧化成SiO3，而硅实际上仍然存在于Si2O5”井上博领导了这项研究。“我们的分析表明，Yb3Si5中的SiO2生长受到抑制，因为SiO2参与形成Yb硅酸盐的反应，并且是该反应的限制因素，”他补充说。尽管尚未完全了解导致形成各种Yb-硅酸盐的确切中间反应，但该团队提出了两种高度可能的反应途径。这可能会在以后的研究中使用更详细的表征技术得到澄清。

总的来说，这项研究为Yb-Si的氧化过程中发生了什么提供了有意义的见解，这将有助于开发用于燃气轮机发动机的保护涂层。井上博士说：“如果能够在恶劣的环境下实现涂层，那么发动机零件将变得更加耐热，自然可以提高发动机效率。”

希望涂层技术的进一步发展将降低航空运输成本和燃料消耗，使安全飞行的成本更低，对环境的危害也较小。

关于东京科学大学

东京科学大学（TUS）是一所著名和受人尊敬的大学，也是日本最大的科学专业私立研究型大学，在东京市中心及其郊区和北海道拥有四个校园。大学成立于1881年，通过在研究人员，技术人员和教育工作者中灌输对科学的热爱，为日本的科学发展做出了持续的贡献。

TUS的使命是“为自然，人类和社会的和谐发展创造科学技术”，从基础科学到应用科学都进行了广泛的研究。TUS接受了跨学科的研究方法，并在当今一些最重要的领域进行了深入研究。TUS是一种精英制国家，在此领域，最好的科学受到认可和培养。它是日本唯一一所获得诺贝尔奖获得者的私立大学，也是亚洲唯一一所在自然科学领域产生诺贝尔奖获得者的私立大学。

关于东京理科大学井上凉副教授

井上良博士于2014年在日本东京大学获得博士学位，并在那里担任项目研究员一年。他于2015年加入东京科技大学，担任材料科学与技术系的助理教授。现在，他担任井上实验室的机械工程系初级副教授，负责开发和研究汽车，飞机和研究用复合材料。他发表了30多篇经同行评审的文章，并且是日本陶瓷学会和日本机械工程师学会的会员。