摘要
燃气轮机的进一步发展使得传统的热障涂层材料已经不能满足其在极端环境下高温防护系统的应用要求。因此，开发一种新型热障涂层材料至关重要。近年来，熵工程的材料改性技术使得众多高熵材料表现出了优异的性能。高熵氧化物作为首个被发现的高熵陶瓷，是目前研究领域中最广的一类高熵材料。 本文采用第一性原理计算方法，运用熵形成能力描述符和计算模型预测了一系列新型高熵萤石结构氧化物的可合成性及性能。利用高能球磨和固相反应法制备预测样品，通过实验表征手段验证了预测结果的有效性。同时，探讨了组分差异对其热物理性能和力学性能的影响。此外，通过调控组分含量实现了萤石相和萤石相-烧绿石相的结构转变，分析了相结构对其性能产生的影响。主要的研究内容及结论包括： （1）基于熵形成能力对(Zr0.2Hf0.2Pr0.2La0.2X0.2)O2-δ的萤石单相可合成性进行预测，当(Zr0.2Hf0.2Pr0.2La0.2X0.2)O2-δ的EFA值在16到17.5 eV/atom之间，可形成单相高熵萤石氧化物。同时，通过XRD及TEM等表征验证了预测的准确性。在单相形成过程中，五种样品均于1500℃形成萤石单相。其中，由于(Zr0.2Hf0.2Pr0.2La0.2Dy0.2)O2-δ的X位原料(Dy2O3)的熔点较低，其单相形成温度低于其它样品(1400℃)。此外，五种样品在固溶至萤石相结构的过程中，与目标相结构互异的原料组分（如单斜结构的Er2O3）在固溶顺序中表现滞后。在25℃-1600℃的高温稳定性温度测试范围中，五种单相萤石氧化物(Zr0.2Hf0.2Pr0.2La0.2X0.2)O2-δ(X=Dy,Ho,Er,Y,Tm)均未发生相分解且无杂质异相生成。 （2）通过实验测试结合第一性原理计算评估了五种萤石单相氧化物(Zr0.2Hf0.2Pr0.2La0.2X0.2)O2-δ(X=Dy,Ho,Er,Y,Tm)的热学性能以及力学性能。其中， (Zr0.2Hf0.2Pr0.2La0.2Y0.2)O2-δ热导率最低，仅为1.28 W/m/℃，其热膨胀系数也相对较高，达到11.1×10-6·℃-1。同时，对比五种样品的热导率、硬度以及弹性模量在计算值和实验值间的大小发现，两者差异均小于15%。研究该体系内离子尺寸差与离子质量差与热性能的相关性发现，导热率与质量差异呈反比关系，而热膨胀系数与尺寸差异成正比。此外，样品的氧空位浓度也与导热率表现呈负相关。 （3）通过改变(Zr0.2Hf0.2Pr0.2La0.2Sm0.2)O2-δ的第五组分即Sm含量实现了萤石单相至萤石-烧绿石双相的转变，并验证了萤石-烧绿石双相在高熵结构中共存的现象。随着Sm含量增加，晶体内部发生晶格畸变和晶格弛豫现象，并发现烧绿石相较萤石相形成倾向更高。单相(Zr, Hf, Pr, La, Sm)O2-和双相(Zr, Hf, Pr, La, Sm)O2-在1600℃下都表现出优异的相稳定性，双相结构相较其单相结构在1100℃表现出了更低的热导率(1.37 W/m/℃)和更高的热膨胀系数(11.8×10-6·℃-1)。XPS结果表明了氧空位缺陷是影响双相结构陶瓷低温区域(800℃ 以下)热导率的最关键因素。此外，双相(Zr, Hf, Pr, La,Sm)O2-δ的硬度和弹性模量略高于单相(Zr, Hf, Pr, La, Sm)O2-δ，这归因于烧绿石相更为紧凑的晶体结构和双相在相互作用界面的晶界强化和位错堆积作用。
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