稀土雙硅酸鹽熱學性能的基因與協(xié)調(diào)機制
關鍵詞：稀土雙硅酸鹽 熱導率 熱膨脹 聲子非簡諧性
摘要：在未來航空發(fā)動機先進技術中,以硅基陶瓷復合材料高溫結構部件為基體,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,并降低熱應力。因此,深入理解TEBC候選材料熱傳導和熱膨脹行為的"基因"和協(xié)調(diào)機制是本領域的關鍵問題。采用第一性原理結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構、鍵合非均勻性、聲子色散關系及非簡諧性特征,計算了材料本征晶格熱導率和熱膨脹系數(shù),揭示了控制材料低熱導率和熱膨脹系數(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,且低頻聲子較大的非簡諧性是材料低熱導率的根源。同時,晶格中Si-O-Si"橋"結構的線性或彎折形態(tài)導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的關鍵因素。研究結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)機制的關鍵作用,為實現(xiàn)TEBC熱學性能的優(yōu)化設計提供了指導。
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