Wetting, spreading and interfacial reactions of CaO-MgO-Al2O3-SiO2 melts on yttria-stabilized zirconia
本研究表明，CMAS熔体在钇稳定氧化锆上的润湿与铺展是由界面反应驱动的，该反应导致了钇的消耗并降低了氧化锆的溶解度，从而导致了缺钇二氧化锆的形成和连续的接触角减小；而在氧化铝基底上，界面通过斜长石的形成而趋于稳定，从而导致接触角保持不变。
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在燃气轮机轰鸣的核心地带，温度高到足以熔化大多数金属，一层薄薄的陶瓷屏蔽层矗立在机械与灾难之间。这种被称为热障涂层的屏蔽层，使发动机能够运行得更高温、更高效。然而，这些涂层面临着一个无形的敌人：飘入发动机的尘埃、沙子和火山灰。当这些颗粒落在炽热的陶瓷表面时，它们会熔化成一种玻璃状液体。这种液体并不仅仅停留在那里；它会向外扩散，渗入微小的孔隙，并从化学上攻击陶瓷屏蔽层，最终导致其崩解和失效。准确了解这种液体如何扩散以及如何反应，对于制造能够承受未来严苛环境的发动机至关重要。
东京科学大学和芝浦工业大学的研究团队致力于以慢动作观察这一破坏过程。他们专注于一种特定类型的陶瓷——钇稳定氧化锆，这是用于这些保护性屏蔽层的标准材料。他们还研究了另一种材料——氧化铝，以观察其在相同条件下的表现。科学家们熔化了一种合成的尘埃灰烬（称为CMAS），并将微小的液滴放置在两种材料的平面上。他们将装置加热到1,300摄氏度，这是一个灰烬变成流动液体的温度，并观察随时间推移会发生什么。
他们观察到的是两个截然不同的反应故事。在氧化铝表面，液滴迅速沉降并停止移动。它形成了一个稳定的角度，就像一个已经停止扩散的水洼。研究人员发现，在液体与固体表面之间的边界处，立即形成了一层新的固体晶体层。这一层起到了屏障的作用，阻止了液体的进一步反应，并将液滴固定在原位。系统达到了一个平静的平衡，扩散停止了。
在钇稳定氧化锆表面，场景则大不相同。在这里，液滴并没有停止。相反，它持续变平并向外扩散，形状不断变化。研究人员发现，这种扩散是由界面处的化学战驱动的。当炽热的液体接触到陶瓷时，它开始溶解陶瓷的保护成分。具体而言，液体抽离了一种名为钇的成分，留下了结构无法维持的弱化形式的氧化锆。这种化学变化降低了液体与固体之间的阻力，使得液滴能够进一步且更快地扩散。这一过程产生了独特的细胞结构图案和微小的球形颗粒，这些都是液体正在积极侵蚀陶瓷并在过程中重新形成新材料的证据。
为了理解为什么这种化学攻击会导致扩散，团队测量了有多少陶瓷材料可以溶解到液体灰烬中。他们发现，液体容纳陶瓷溶解的能力在很大程度上取决于其自身的化学组成。当液体失去某些成分（特别是钙和镁），或者吸收了过多从陶瓷中溶解出的钇时，其容纳氧化锆的能力就会急剧下降。这就像是液体过快地达到了饱和。一旦它无法再容纳溶解的物质，氧化锆就会被迫从溶液中析出并重新形成固体颗粒。这种在界面处固体的再沉淀正是驱动持续扩散和涂层最终失效的原因。
这项研究证实，这些热障的破坏不仅仅是热量或简单侵蚀的问题，而是一场复杂的化学舞蹈，其中液体在攻击固体时改变了自身的成分。研究人员表明，当液体与陶瓷反应时，它会改变自身的化学性质，使其变得更加具有侵略性，从而在边界处不断地溶解并重新形成材料。相比之下，当使用另一种陶瓷时，一层保护层会形成并阻断这一循环。这些发现为为什么某些涂层会失效而另一些可能存活提供了明确的热力学解释，为设计能够抵抗熔融尘埃侵蚀力的材料提供了路线图，以应对世界上最苛刻的发动机环境。
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