稀土双硅酸盐热学性能的基因与协调机制

作者：罗颐秀; 王京阳^*

来源：中国材料进展, 2019, 38(09): 866-886.

• 稀土双硅酸盐
• 多功能热障/环境障一体化涂层
• 热导率
• 热膨胀
• 声子非简谐性

在未来航空发动机先进技术中,以硅基陶瓷复合材料高温结构部件为基体,发展先进的多功能热障/环境障一体化涂层(TEBC)以实现有效防护是一个重要的研究方向。TEBC材料的发展和优化需满足低热导率(κL)和合适的热膨胀系数(CTE),以提高涂层体系的隔热性能,并降低热应力。因此,深入理解TEBC候选材料热传导和热膨胀行为的"基因"和协调机制是本领域的关键问题。采用第一性原理结合晶格动力学方法研究了稀土双硅酸盐β-,γ-和δ-RE2Si2O7(RE=Y,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu)多晶型材料的晶体结构、键合非均匀性、声子色散关系及非简谐性特征,计算了材料本征晶格热导率和热膨胀系数,揭示了控制材料低热导率和热膨胀系数大小的"基因"。研究发现,RE2Si2O7多晶型材料具有明显的低频光学-声学声子耦合效应,且低频声子较大的非简谐性是材料低热导率的根源。同时,晶格中Si—O—Si"桥"结构的线性或弯折形态导致了低频声子非简谐性的"正负"差异及体模量差异,是决定β-和γ-RE2Si2O7热膨胀系数远低于δ-RE2Si2O7的关键因素。研究结果阐明了低频声子非简谐性的"大小"和"正负"特征对RE2Si2O7多晶型材料热学性能协调机制的关键作用,为实现TEBC热学性能的优化设计提供了指导。

• 单位
  中国科学院金属研究所