稀土雙硅酸鹽熱學性能的基因與協(xié)調(diào)機制
關(guān)鍵詞：稀土雙硅酸鹽 熱導(dǎo)率 熱膨脹 聲子非簡諧性
摘要：在未來航空發(fā)動機先進技術(shù)中,以硅基陶瓷復(fù)合材料高溫結(jié)構(gòu)部件為基體,發(fā)展先進的多功能熱障/環(huán)境障一體化涂層(TEBC)以實現(xiàn)有效防護是一個重要的研究方向。TEBC材料的發(fā)展和優(yōu)化需滿足低熱導(dǎo)率(κL)和合適的熱膨脹系數(shù)(CTE),以提高涂層體系的隔熱性能,并降低熱應(yīng)力。因此,深入理解TEBC候選材料熱傳導(dǎo)和熱膨脹行為的"基因"和協(xié)調(diào)機制是本領(lǐng)域的關(guān)鍵問題。采用第一性原理結(jié)合晶格動力學方法研究了稀土雙硅酸鹽β-,γ-和δ-RE2Si2O7(RE=Y,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu)多晶型材料的晶體結(jié)構(gòu)、鍵合非均勻性、聲子色散關(guān)系及非簡諧性特征,計算了材料本征晶格熱導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù),揭示了控制材料低熱導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù)大小的"基因"。研究發(fā)現(xiàn),RE2Si2O7多晶型材料具有明顯的低頻光學-聲學聲子耦合效應(yīng),且低頻聲子較大的非簡諧性是材料低熱導(dǎo)率的根源。同時,晶格中Si-O-Si"橋"結(jié)構(gòu)的線性或彎折形態(tài)導(dǎo)致了低頻聲子非簡諧性的"正負"差異及體模量差異,是決定β-和γ-RE2Si2O7熱膨脹系數(shù)遠低于δ-RE2Si2O7的關(guān)鍵因素。研究結(jié)果闡明了低頻聲子非簡諧性的"大小"和"正負"特征對RE2Si2O7多晶型材料熱學性能協(xié)調(diào)機制的關(guān)鍵作用,為實現(xiàn)TEBC熱學性能的優(yōu)化設(shè)計提供了指導(dǎo)。
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