具有柱状/层状跨尺度特征的双模态结构涂层：实现应变容限与隔热性能协同增强的新型热障涂层设计

针对传统单结构热障涂层(TBCs)难以兼顾高隔热性与长寿命的难题，研究人员创新设计出具有柱状/层状跨尺度特征的双模态结构涂层。通过微米级层状结构阻隔热流(<1.2 W m-1 K-1 )，宏观柱状结构释放应变应力，使热循环寿命提升4-8倍的同时保持60%柱状结构的低导热性。该研究为先进燃气轮机热防护系统提供了新思路。

　　

在燃气轮机等高温装备领域，热障涂层(Thermal Barrier Coatings, TBCs)是保护金属部件免受高温侵蚀的关键技术。传统TBCs面临"鱼与熊掌不可兼得"的困境：层状结构虽能通过垂直热流的层间孔隙实现优异隔热（导热系数仅0.8-1.2 W m^-1
K^-1
），但其脆弱的断裂韧性导致热循环寿命较短；而柱状结构虽能通过垂直裂纹释放应变应力使寿命延长2-10倍，却因结构致密导致导热系数高达块体材料的60-80%。这种性能矛盾严重制约着TBCs在极端环境下的应用。

西安交通大学的研究团队在《Journal of Materials Science》发表的研究中，创新性地提出"跨尺度双模态结构"设计理念。通过等离子喷涂技术构建兼具微米级层状和宏观柱状特征的新型涂层，结合有限元模拟优化几何参数，成功实现导热系数较柱状结构降低40%的同时，将热循环寿命较层状结构提升4-8倍。研究还首次揭示高温下二维孔隙烧结愈合导致应变容限(Strain Tolerance, ST)下降40-80%的失效机制，并确定垂直裂纹间距(L)与涂层厚度(h)的临界比值L/h≈10的优化阈值。

关键技术包括：1）等离子喷涂制备双模态结构涂层；2）热导率测试与热循环实验评估性能；3）扫描电镜观察微观结构演变；4）基于ABAQUS的有限元模拟分析应力分布；5）通过中国某燃气轮机厂提供的服役样本验证失效机制。

【设计原理】
通过跨尺度结构设计，微米级层状结构中的片层孔隙有效阻隔热流，而宏观柱状结构的垂直裂纹网络则通过"应力释放槽"机制缓解热失配应力。这种"宏观释应变，微观阻热流"的协同设计突破了传统单结构涂层的性能极限。

【性能验证】
实验显示双模态涂层的导热系数与典型层状结构相当（约1.1 W m^-1
K^-1
），仅为柱状结构的60%。在1300°C热循环测试中，含垂直裂纹的VCed-2样品寿命达800次循环，是传统层状结构的8倍。

【失效机制】
发现高温暴露导致层状结构中二维孔隙烧结愈合，使ST值下降40-80%。有限元分析表明，这种烧结过程会显著增加基体约束效应，促使裂纹沿界面扩展。

【结构优化】
通过建立L/h参数模型，发现当L/h<10时裂纹驱动力骤减。该结论指导制备出裂纹间距0.6±0.5 mm的优化涂层(VCed-2)，其热应力集中系数较常规结构降低65%。

这项研究不仅为多性能协同的TBCs设计提供新范式，其"跨尺度功能分区"的设计理念对航空航天、能源化工等领域的表面工程具有普适指导意义。Jia-Xin Wei等研究者通过国家自然科学基金等项目支持，将实验室发现转化为可工程应用的解决方案，标志着我国在先进涂层技术领域取得重要突破。研究揭示的"烧结致ST下降"机制为后续材料开发指明方向，而L/h临界值的确定为涂层标准化生产提供关键参数依据。这种兼顾基础理论创新与工程应用价值的研究，将加速新一代TBCs在国产燃气轮机等重大装备中的应用进程。