高温辐射热防护是指通过表面涂层设计，在有效隔绝热传导的同时向外辐射热量，从而实现有效的热阻断、热隔绝和辐射散热。这在高速飞行器、航天器热控等众多领域中具有重要的意义。高性能的辐射热防护需要涂层具有高发射率，以最大限度地提高热辐射耗散，同时具有低导热率，以减少向金属基材的热传导。传统的热障陶瓷，包括稀土铌酸盐、锆酸盐、钽酸盐和铪酸盐等，虽然具有较低的热导率，但其红外发射率也较低（<0.5）。近年来，通过稀土和过渡族阳离子掺杂改性，提高陶瓷的发射率备受关注。然而，掺杂改性提高发射率的同时也可能导致热导率的提升。基于单相材料实现兼具高发射率和低热导功能的涂层仍然没有取得关键性的理论和实验进展。

近日，哈工大材料学院周玉院士团队王亚明教授课题组与能源学院帅永团队裘俊副教授课题组合作报道了一种具有超高发射率（0.9）和超低热导率（0.5W·m^-1·K^-1）的铌酸钇基辐射热防护陶瓷涂层，哈工大助理教授陈国梁为论文的第一作者。研究团队通过Ca²⁺-Cr³⁺离子不等价掺杂和热喷涂制备构建层状微孔结构涂层，从电子、声子、涂层微结构等多尺度角度分析，揭示了涂层组织结构与发射率、热导率的构效关系。发现通过调控声子无序、微孔取向以及光子多次散射吸收能使涂层的发射率和热导率比值高达1.3，达到了报道以来最高的发射率和热导率比值，为高温辐射热防护陶瓷涂层的设计提供新思路。该研究成果以《基于层状多孔Ca-Cr共掺杂Y₃NbO₇的辐射热防护涂层》（A promising radiation thermal protection coating based on lamellar porous Ca-Cr co-doped Y₃NbO₇ ceramic）为题，以长文形式在线发表于国际权威杂志《先进功能材料》（Adv. Funct. Mater.，2022~2023年影响因子19.924）。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202305650

图1 a) 辐射热防护涂层示意图；b) 不同辐射热防护材料的热防护效果对比；c) Ca-Cr掺杂Y₃NbO₇的晶体结构

图2 a) 涂层的截面形貌；b)涂层表面的元素分布图; c) 涂层的表面形貌；d)涂层精修的XRD图谱；e) 涂层的透射表征图谱

图3 a) 涂层热导率与微孔取向和孔隙率的关系；b) 涂层的截面扫描图；c)Y₃NbO₇基陶瓷及其涂层的热导率对比；d) 具有垂直和 e) 水平取向微孔涂层的温度和热流分布图。

图4 a) 涂层表面的3D形貌；b) 涂层随机粗糙表面模型；c)，d) 8μm和e) 14μm波长下，涂层x-z截面的光电场分布

图5 a) Ca-Cr掺杂Y₃NbO₇陶瓷的热膨胀系数；b)涂层在热冲击循环下表面的温度变化；c)涂层循环热冲击照片及其表面的SEM图；d) 涂层在多次热冲击作用后的XRD图谱；e)涂层在多次热冲击后的Raman图谱；f)涂层在多次热冲击作用下的发射率变化。

该工作从电子、声子、涂层微结构等多尺度角度揭示了涂层组织结构与发射率、热导率之间的构效关系。在热导率方面，通过调控声子无序和涂层内部微孔的取向，成功减小热流通道，降低热导率达0.5W/(m·K)；在发射率方面，Ca-Cr共掺杂诱导杂质能级产生，协同表面微结构强化光吸收改善界面阻抗匹配性，将平均发射率提高至0.9以上。涂层的综合发射率和热导率比值高达1.3，这是目前报道最高的辐射热防护优值。这种层状多孔结构陶瓷涂层兼具高发射率、低热导率、高结合强度和热稳定性等优异的综合性能，在金属辐射热防护系统上具有很大的应用潜力。