連續(xù)纖維增強碳化硅陶瓷基復(fù)合材料（SiCf/SiC CMC）是下一代高推重比、大推力航空發(fā)動機的顛覆性熱結(jié)構(gòu)部件關(guān)鍵材料。在發(fā)動機的嚴苛燃氣服役環(huán)境中，必須在SiCf/SiC復(fù)合材料構(gòu)件表面涂覆環(huán)境障涂層，來阻止或減緩燃氣環(huán)境造成的材料腐蝕侵傷。耐高溫、強耐蝕、抗熱沖擊的環(huán)境障涂層是先進航空發(fā)動機創(chuàng)新發(fā)展的核心保障技術(shù)之一。稀土硅酸鹽環(huán)境障涂層是國際公認的新一代環(huán)境障涂層優(yōu)選體系，其與SiCf/SiC基體的熱膨脹匹配性和低熱應(yīng)力是決定涂層熱循環(huán)可靠性的首條條件。
中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心陶瓷及復(fù)合材料研究部環(huán)境障涂層團隊與技術(shù)支撐部透射技術(shù)組合作，將先進的積分差分相位襯度掃描透射電子顯微技術(shù)（integrated differential phase contrast scanning transmission electron microscopy，iDPC-STEM）應(yīng)用于稀土雙硅酸鹽結(jié)構(gòu)的原子級成像，以高溫穩(wěn)定性好、熱膨脹匹配優(yōu)異的 相雙硅酸鈥（ -Ho2Si2O7）為研究對象，獲取了其包含氧原子在內(nèi)的局域結(jié)構(gòu)信息；結(jié)合第一性原理分子動力學模擬高溫下的原子振動軌跡和鍵長變化，以及拉曼光譜和紅外光譜表征相應(yīng)的振動模式，發(fā)現(xiàn)具有直線Si-Obridge-Si橋結(jié)構(gòu)的[Si2O7]結(jié)構(gòu)單元中橋O原子的橫向振動模是這類氧化物低熱膨脹系數(shù)的結(jié)構(gòu)起源與物理機制。利用iDPC-STEM技術(shù)對 -Ho2Si2O7顯微成像的結(jié)果，研究團隊成功解析了[100]方向上Ho、Si，以及O原子的排布方式，清晰觀察到由頂角相連的[SiO4]四面體組成的[Si2O7]雙四面體單元，其中Si-Obridge-Si的鍵角為180 o。研究發(fā)現(xiàn)橋接O原子與臨近Ho原子的投影距離約為與臨近Si原子距離的兩倍，Ho-O間的鍵合作用較弱，導致橋O原子發(fā)生橫向振動的自由度較大，為計算模擬和光譜學測量結(jié)果提供了直觀的原子級實驗證據(jù)。相比于高角環(huán)形暗場像(HAADF-STEM)，iDPC-STEM圖像襯度與原子序數(shù)近似呈線性關(guān)系，有利于輕、重元素同時成像，且可以保持較高的圖像解析分辨率和信噪比。
相關(guān)成果以“Atomic structural visualization on -Ho2Si2O7 using iDPC-STEM technique and its correlation with thermal expansion as advanced environmental barrier coating”發(fā)表于Materials Today Physics (30, 2023, 100961)。特別研究助理呂熙睿為論文的第一作者，張潔研究員等為論文的通訊作者。
該項工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃、國家科技重大專項、遼寧省“興遼英才計劃”項目、遼寧省自然科學基金及沈陽材料科學國家研究中心項目等項目的資助，在電子顯微學技術(shù)方面得到了沈陽材料科學國家研究中心技術(shù)支撐部的大力支持。
圖1 結(jié)合理論模擬與iDPC-STEM技術(shù)揭示了雙硅酸鈥低熱膨脹系數(shù)的原子級起源與物理機制，為研發(fā)高可靠的稀土硅酸鹽環(huán)境障涂層提供了科學思路。
