[上图]了解环境硅酸盐污染对热和环境屏障涂层造成的损害，对于更好地保护陶瓷基复合材料制成的涡轮叶片很重要。信贷:Pro-Per能源服务， Wikimedia (CC BY-SA 4.0)
大气中过多的二氧化碳是导致地球迅速变暖的主要因素之一。但正如最近几个月所显示的那样随着交通工具的大量减少如果我们能更明智地使用我们的资源，地球就能治愈。
在理想的未来世界中，所有的碳氢化合物燃料都将被自然能源所取代，比如风力发电和太阳能蒸汽。虽然我们正在朝着这个方向前进，但许多技术障碍还有待克服，这意味着碳氢化合物燃料将继续被使用，特别是在交通和发电方面。然而，乘用车效率的提高有助于减少燃料消耗。我们必须继续提高效率和扩展技术，特别是对于更强大的涡轮驱动应用，如喷气式飞机、大型远洋船舶和燃气发电厂。
提高涡轮工作温度是提高燃油效率的途径之一。但接近1400°C的目标温度对材料提出了重大挑战。具体来说，用于涡轮叶片的材料，如SiC-SiC陶瓷基复合材料(cmc)，在高温、潮湿的气体中容易氧化和挥发。
保护cmc的最常用方法是应用热和环境屏障涂层(tbc, ebc)。测试的两组tbc和ebc是基于稀土硅酸盐和铝酸盐。
与任何解决方案一样，新的挑战也随之出现。在稀土硅酸盐和铝酸盐的情况下，它们在操作过程中与环境中沉积的其他硅酸盐发生反应。这些反应产生了具有新的晶体和玻璃结构的新成分(以及液体)和不同的热膨胀系数。使情况复杂化的是环境硅酸盐成分的广度，它们来自非常细的沙子、火山灰和飞灰等颗粒。
最近的三篇论文由大卫Poerschke明尼苏达大学助理教授，ACerS出版委员会主席，对tbc和EBCs环境硅酸盐污染造成的损害的许多方面提供了广泛的见解。虽然我甚至无法开始解释他们的实验、建模和分析的广度和深度，但我希望能激发您足够的兴趣来阅读、理解和扩展他们的出色工作。
定义问题
下图表示tbc和ebc的降解机制。当涡轮机运行时，沉积物积累、液化并与涂层发生反应。在冷却时，热膨胀不匹配引起应力，通过开裂缓解。静止的液态沉积物流入裂缝，并通过孔隙和晶界渗透到涂层中。在进一步冷却时，热不匹配会导致散裂，即由于冲击或应力而从材料中喷射出碎片。
有许多方法可以最大限度地减少裂缝，防止深度渗透，或最大限度地减少导致这些影响的热不匹配能量。这些方法包括消耗沉积物，同时将其转化为有利的材料，形成阻止反应发生的新相，以及开发具有低热膨胀系数的材料，在冷却时将TBC或EBC压缩以阻止裂纹扩展。
要实现这些方法，需要材料性质、相和结构等方面的数据。在论文中"硅酸盐沉积物下环境屏障涂层反应与破坏的计算模型框架，研究人员创建了一个结合反应、几何、热物理和热机械参数的模型，以提供中间和循环结束时基材/涂层/沉积结构的组成、厚度、热膨胀和断裂力学的预测。
本文所考虑的化学反应是二硅酸钇与环境污染物之间的化学反应，由钙、镁、铁、铝和硅氧化物(简称CMFAS)的混合物组成。在本研究中使用的模型序列中输入了许多沉积成分和厚度。
建模和仿真研究的结果涵盖了广泛的行为。但是在这三篇论文中有两个结果是一致的
- 富钙沉积物倾向于强烈增加涂层的降解
- 在合理的条件下，涂层可以在环境沉积中存活。
通过相图了解材料特性
相平衡图(以下简称相图)是在平衡条件下多组分化学体系的组成、温度、晶体结构、相(固体、液体、气体)、压力和其他物理性质相互作用的二维表示。
考虑到参数的绝对数量，对于任何给定的系统都有大量的潜在相图。因此，了解显示的内容是理解数据的第一个关键。
文章“熔融硅酸盐沉积物与单硅酸盐钇的反应显示了从平衡热力学关系发展而来的不同浓度的单硅酸盐钇和CMFAS矿床的相图。值得注意的是，单硅酸盐钇与CMFAS矿床的热力学不稳定。换句话说，它们不共存，而是反应形成磷灰石和二硅酸盐。
值得注意的是，在实验过程中没有达到相图的平衡条件，这表明了动力学障碍，并且目睹了石榴石相的形成，这是所使用的模型所没有预测到的。本文的数据证实了钙对反应有很强的影响，进一步的证据表明，Ca:Si比值约为0.2是反应边界。
文章“Al-Ca-Mg-Si-Y-O体系中的石榴石稳定性及其与TBCs、EBCs和硅酸盐矿床之间反应的关系”可以阅读为一个主类的实验开发一系列相图的多元素系统。研究的前提是组成空间，其中石榴石的形成具有重要意义。
如上所述，硅酸盐和铝酸盐与环境硅酸盐反应会产生磷灰石相，损害涂层的完整性。之前的论文表明，石榴石结构可以由tbc、ebc和CMFAS污染物中常见的元素形成，尽管热力学模型没有预测它们。虽然假设石榴石结构可能比磷灰石结构更不稳定，但对于石榴石在这一复杂化学系统中的稳定性范围知之甚少。
研究人员首先从钇铝石榴石(YAG)开始定义石榴石的可能组成空间，它有三个可能的阳离子位点。两个位置被铝占据，第三个位置被钇占据。考虑到环境污染物阳离子ca的大小和电荷2 +、镁2 +，和Si4 +-这些离子如何替代铝是有特定限制的3 +和Y3 +．这些限制导致以下规则:
- 一个Ca2 +和一个Si4 +必须用一个Y来代替3 +一个是艾尔3 +，以维持氧平衡。
- 一毫克2 +和一个Si4 +可以代替一个Y吗3 +一个是艾尔3 +或两个3 +因为毫克2 +Y3 +和艾尔3 +．钙只能占据Y3 +网站。
规则2为组合空间创造了许多限制。例如，最多三个钙+镁离子可以替代到单位电池中，因为硅只有三个可用的位点。研究人员通过控制成分来“强迫”镁进入任何一个位点，并通过创建3D成分空间来解决这些限制。为了理解3D空间，研究人员在二维空间中展示了不同的“切片”。(这很吸引人。)
研究人员在可能的空间内配制和反应了许多成分，并报告了19个此类配方的相(通过XRD)、微观结构(SEM)和定量组成结果。他们的结论提供了关于石榴石形成和局限性的丰富信息。引起我注意的一些结论包括
- 石榴石的形成比磷灰石每摩尔消耗的钇减少熔体(杂质)体积更大，尽管有关于结晶动力学的担忧需要进一步研究。
- 只有纯YAG才能形成单相石榴石，但含量较高的组合物具有较高的石榴石稳定性。
- 镁优先替代铝而不是钇，因此可以形成镁浓度略高于纯钙石榴石的石榴石。
相图在第一篇论文中使用的方式完全不同，即“计算建模框架”。除了后两篇论文的相/组成边界外，本文还使用相图将物理性质可视化为组成和相的函数。例如，一个系列演示了涂层的消耗和相应数量的磷灰石和二氧化硅，以及反应如何根据沉积物的组成而不同。其他系列研究热膨胀和玻璃化转变温度。
综上所述，由稀土硅酸盐制成的热和环境屏障涂层在实现更高温度、更高效的碳氢燃料涡轮发动机方面具有巨大的前景。然而，还有很多东西要学。基于本文提出的三篇文章，未来的工作应包括探索减轻钙污染的方法，并研究与环境污染物的反应动力学。
下载阅读有关相图的构造和解释的更多信息相图的一般讨论由F.P.霍尔，H.英斯利，E.M.莱文，H.F.麦克默迪和C.R.罗宾斯www.eurusdlive.com的网站。更多关于通过NIST/ACerS相平衡图数据库提供的相图范围的信息可以在//www.eurusdlive.com/publications-resources/phase-equilibrium-diagrams．
第一篇论文发表于美国陶瓷学会杂志m6米乐网官网，是"硅酸盐沉积物下环境屏障涂层反应与破坏的计算模型框架(DOI: 10.1111/ jase .17187)。
第二篇论文发表在美国陶瓷学会杂志m6米乐网官网，是"熔融硅酸盐沉积物与单硅酸盐钇的反应(DOI: 10.1111/ jase .16972)。
第三篇论文发表于美国陶瓷学会杂志m6米乐网官网，是"Al-Ca-Mg-Si-Y-O体系中的石榴石稳定性及其与TBCs、EBCs和硅酸盐矿床之间反应的关系(DOI: 10.1111/ jase .17176)。