【隔热材料】锆酸镧多孔隔热材料研究进展

原文DOI：10.15541/jim20250364

引用本文：

CHEN K, JIANG Y G, FENG J Z, et al. Research Progress on Lanthanum Zirconate Porous Materials for Thermal Insulation. J. Inorg. Mater., DOI: 10.15541/jim20250364.

2023~2025年  分领域虚拟专题

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本文概述了锆酸镧多孔隔热材料的研究进展。首先从锆酸镧自身的晶体结构、物相稳定和掺杂改性优势出发，综述了近年来国内外锆酸镧多孔隔热材料在介观结构优化和元素掺杂方面的研究进展；然后总结了二者在降低热导率和提高耐温性能不同作用机制；最后展望了耐更高温度锆酸镧多孔隔热材料的设计、制备与应用的研究方向，对未来新型高性能锆酸镧多孔隔热材料的开发具有较好的借鉴意义。

研究背景

锆酸镧作为最常见的稀土锆酸盐，具有低热导率、高熔点和高温物相稳定等优点，相稳定性使它在达到熔点前不发生相变，非常适合制备多孔隔热材料，在航空航天领域具有广阔的应用前景。然而，锆酸镧多孔材料受热后微纳结构单元易烧结，导致其孔结构塌陷，隔热和耐温性能下降，一定程度上限制了其在1000 ℃以上的高温场景中使用。该文系统总结了近年来在提升锆酸镧多孔隔热材料耐温性能的关键和重要进展，重点围绕介观结构优化降低热导率和元素掺杂提高耐温性能两个方面进行了分析、总结与展望。

本文亮点

已有研究表明，通过模板法和溶胶-凝胶法，可实现锆酸镧多孔隔热材料介观结构的调控，实现孔径尺度在1~264 μm内的变化和粒径尺寸14.5~35 nm的调整，提升材料的隔热性能；掺杂Si、Ce、Eu等不同元素可以较好的提升材料耐温性能，有效抑制晶粒高温长大，并获得更低的热导率。

图文导读

锆酸镧的晶体结构包括萤石结构(fluorite，F-结构)和烧绿石结构(pyrochlore，P-结构)，二者都是面心立方结构，有序氧空位使得烧绿石结构锆酸镧不同于其他稀土锆酸盐，在熔点前都不发生相变(图1)^[1]。相比于传统氧化物陶瓷材料，烧绿石结构锆酸镧陶瓷具有更加复杂的晶体结构和更高的分子质量，可以增强声子散射，具有更低的热导率(1.56 W/(m·K)，1000 ℃)，低于氧化铝(5.8 W/(m·K)，1127 ℃)和氧化锆(2.17 W/(m·K)，1000 ℃)^[2]。

图1 La₂O₃-ZrO₂相图^[1]

Li等^[3]提出锆酸镧前驱体浆料包覆的碳球即核壳结构锆酸镧，在惰性保护气氛下烧结获得致密陶瓷，然后在空气中热处理去除内部碳球，得到锆酸镧多孔隔热材料(图2)。研究发现，通过调节碳球在混合溶液中浸渍时间，可以调控核壳结构壁厚；当核壳结构锆酸镧壁厚为20 nm时，锆酸镧多孔隔热材料孔隙率为88.2%，密度为0.71 g/cm³，且材料具有极低的室温热导率(0.016 W/(m·K))、高温热导率(0.026W/(m·K)，1400 ℃)；内部颗粒表面分布约40%的开孔，这些20~50 nm的开孔可以有效阻碍高温传热，气体被隔离在单个颗粒内部，是其具有极低热导率的原因。

图2 锆酸镧多孔陶瓷材料^[3]

(a~c) La₂Zr₂O₇多孔陶瓷材料的微观结构；(d)对应位置的选区电子衍射图；(e) La₂Zr₂O₇多孔陶瓷材料的热性能；(f) La₂Zr₂O₇多孔陶瓷材料在不同温度下的热导率；(g)压汞法测试结果及内嵌的柱状图；(h)热传递路径示意图

Liu等^[4]利用溶胶-凝胶法结合固相反应制备了(LaCeSmEuNd)₂Zr₂O₇气凝胶(图3)，“珍珠链”网络结构提供了更多的固溶反应位点，实现了较低温度(950 ℃)制备多元素掺杂锆酸镧气凝胶。将气凝胶研磨后压制得到直径为12.5 mm的圆柱状样品，然后在800~1400 ℃热处理2 h，与锆酸镧气凝胶对比发现，压制的圆柱状(LaCeSmEuNd)₂Zr₂O₇气凝胶样品在1200 ℃热处理2 h后，直径收缩率仅为0.56%，表现出良好的抗高温收缩能力，而相同压制条件下La₂Zr₂O₇气凝胶样品的直径收缩率高达13.68%。研究表明多元素掺杂导致晶粒生长的能垒增加，使得纳米晶粒具有更好的耐温性能。

图3 (LaCeSmEuNd)₂Zr₂O₇气凝胶^[4]

(a, d) 750、(b, e) 950、(c, f) 1150℃热处理下的SEM形貌；(g) 950 ℃热处理样品的EDS元素分布图；(h)圆柱样品直径收缩率及LZO与RZO原始压片、1200和1400 ℃热处理2 h后的照片；(i) RZO与LZO在25 ℃的热导率及RZO的抗压强度

[1] Shugurov S M, Kurapova O Y, Lopatin S I, et al. Thermodynamic properties of the La₂O₃–ZrO₂ system by Knudsen effusion mass spectrometry at high temperature. Rapid Communications in Mass Spectrometry, 2017, 31(23): 2021.

[2] Zhao Z, Xiang H, Dai F Z, et al. (La_0.2Ce_0.2Nd_0.2Sm_0.2Eu_0.2)₂Zr₂O₇: a novel high-entropy ceramic with low thermal conductivity and sluggish grain growth rate. Journal of Materials Science & Technology, 2019, 35(11): 2647.

[3] Li S, Wang C A, Yang F, et al. Hollow-grained “Voronoi foam” ceramics with high strength and thermal superinsulation up to 1400  °C. Materials Today, 2021, 46: 35.

[4] Liu X, Su C, Zhong Y, et al. High entropy (LaCeSmEuNd)₂Zr₂O₇ ceramic aerogel with low thermal conductivity and excellent structural heat resistance. Journal of the European Ceramic Society, 2022, 42(13): 5964.

总结与展望

锆酸镧多孔隔热材料具有低热导、高熔点以及熔点前不发生相变的特点，在高温隔热领域具有广阔的应用前景和发展空间。研究者基于介观结构调控和元素掺杂策略，优化提升了锆酸镧多孔隔热材料的耐温性能和隔热性能。面向未来更高性能的使用需求，还可在调控锆酸镧多孔材料微纳骨架结构/组成提高耐温性能、引入红外遮光剂提高隔热性能，引入陶瓷纤维提高力学性能等方面开展深入研究。