La2Zr2O7彈性常數及最低熱導率的第一性原理計算

項建英， 黃繼華， 陳樹海， 梁文建， 趙興科， 張華

(1.北京科技大學 材料科學與工程學院，北京100083;2.環境保護部華南核與輻射安全監督站，廣東 深圳518034)

熱障涂層(Thermal Barrier Coatings TBCs)是指由金屬黏結層和隔熱性好的陶瓷熱保護功能層組成的“層合型”金屬陶瓷復合涂層系統。利用陶瓷材料低熱導率、良好的抗氧化、耐腐蝕和耐高溫等特性制備的熱絕緣陶瓷涂層，能夠有效阻止外部環境的熱量向基體金屬傳遞，提高基體的工作溫度，減少高溫氧化、腐蝕、磨損。近年來，隨著航空燃氣渦輪機向高推重比方向發展，燃燒室中的燃氣溫度已接近1500℃，而目前廣泛使用的8YSZ 在1200℃以上使用時會發生相變，燒結現象嚴重，難以滿足渦輪進口溫度進一步升高的需要，新型熱障涂層材料的開發迫在眉睫［1～3］。然而在選擇TBCs 材料時，如何選擇具有較低熱導率的材料是目前遇到的主要困難之一［4］，David R. Clarke 通過綜合不同的熱導率計算模型，提出了基于德拜模型的最低熱導率原理，認為如果一種材料的最低熱導率κmin低，則這種材料就符合熱障涂層陶瓷材料的要求，并計算了一些氧化物的熱導率，對篩選新型熱障涂層材料具有很好指導意義。

稀土鋯酸鹽中的La2Zr2O7是目前研究較多的一種陶瓷材料，其具有燒綠石結構，空間群為Fd-3m(No.227)，可以看成是由缺少1/8 格位氧的螢石結構(空間群為Fm-3m (No.255))衍生而來，其中1/8 單胞如圖1 所示，+3 價的鑭離子占據晶體學位置16d(1/2，1/2，1/2)(A 位)，+4 價的鋯離子占據16c(0，0，0)(B 位);氧離子占據48f (x，1/8，1/8)和8b(3/8，3/8，3/8)2 種不同位置，因此燒綠石結構也常寫成A2B2O6O'。……