高熵稀土氧化物热障涂层材料弹性及热物性的第一性原理研究

王禹贺 1,2, 罗颐秀1, 郭会明3, 张广珩4,张思岩4, 孙鲁超1, 王杰民1, 王京阳1（1. 中国科学院金属研究所；2. 中国科学技术大学材料科学与工程学院；3. 中国航发四川燃气涡轮研究院；4. 辽宁材料实验室燃氢防护技术研究所）

摘要: 应用于高推重比航空发动机热端部件的连续纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料需采用热/环境障复合涂层(T/EBCs)进行防护。为了得到兼具低热导率、适配的热膨胀系数及良好的高温相稳定性的新型稀土氧化物热障涂层材料, 高熵化设计概念为其成分设计和性能调控提供了新思路和新契机。本研究针对复杂高熵陶瓷体系的结构建模和性能预测难题, 提出了一种基于特殊准随机结构(SQS)的新型高熵建模策略。该方法在保证计算精度的同时,实现了对复杂结构陶瓷性能的快速预测。随后, 结合第一性原理计算方法, 预测并比较了四种高熵稀土氧化物材料的晶体结构、弹性性质及热物理性质, 重点揭示了不同稀土成分及Hf 掺杂对材料低热导率性能的调控作用及原子尺度根源。本研究为航空发动机热端部件用T/EBCs 材料的理论模拟和选材设计提供了科学思路与基础数据。

关键词：高熵稀土氧化物；热障涂层；第一性原理；弹性性质；热物理性质