数据驱动设计低导热高熵稀土硅酸盐陶瓷及其在环境屏障涂层中的应用研究

为解决高温环境下陶瓷基复合材料(CMCs)防护需求，研究人员采用机器学习(PCA/K-means)结合实验验证的方法，筛选出五种低导热(0.93-1.22 W·m-1·K-1)高熵稀土焦硅酸盐(5RE0.2)2Si2O7陶瓷，通过大气等离子喷涂(APS)制备的Si/HEC复合涂层展现出优异的高温稳定性，为环境屏障涂层(EBCs)开发提供新范式。

　　

在航空发动机和燃气轮机等极端高温环境中，陶瓷基复合材料(CMCs)因其轻量化、耐高温等特性逐步替代传统高温合金。然而CMCs面临水蒸气和钙镁铝硅酸盐(CMAS)腐蚀的严峻挑战，亟需环境屏障涂层(EBCs)提供保护。当前主流稀土硅酸盐材料虽具有化学兼容性，但存在高温相稳定性不足、热导率偏高等瓶颈。高熵陶瓷(HECs)因其独特的"鸡尾酒效应"、晶格畸变等特性，为开发新一代EBCs带来曙光，但传统试错法难以应对其巨大的成分设计空间。

针对这一难题，北京的研究团队创新性地构建了"数据驱动-实验验证-工程应用"的研究范式。通过整合118组实验数据和88组本征物理参数，采用主成分分析(PCA)和K-means聚类算法，从1342种候选组合中筛选出5种五元高熵稀土焦硅酸盐体系。研究证实优化后的(Yb_0.2Y_0.2Er_0.2Lu_0.2Dy_0.2)₂Si₂O₇(简称YbYErLuDy)具有0.93-1.22 W·m^-1·K^-1的超低热导率，3.14-3.84×10^-6 K^-1的热膨胀系数(CTE)，相关成果发表在《Materials》期刊。

关键技术包括：1) 基于PCA和K-means算法的材料筛选体系；2) 放电等离子烧结(SPS)制备高致密块体；3) 大气等离子喷涂(APS)制备Si/HEC三层涂层；4) 激光闪射法测定宽温域热导率；5) Rietveld精修确定晶体结构。

3.1 数据驱动材料设计
通过机器学习分析发现，在PC1/PC2空间(-5<>

3.2 实验制备验证
BSE和EDS分析证实所有样品均为单相结构，相对密度>95%。XRD精修显示(YbYErLuDy)为γ相结构(P21/b空间群)，平均RE-O键长2.3066 ?，晶格参数a=4.682 ?，展现出优异的结晶特性。

3.3 热物理与机械性能
DSC-TG显示(YbYErLuDy)在1500℃内无相变，CTE与SiC基体良好匹配(3.14×10^-6 K^-1)。其维氏硬度达1106 HV，断裂韧性0.91 MPa·m^0.5，综合性能最优。

3.4 涂层性能评估
APS制备的Si/(YbYErLuDy)涂层经1400℃氧化后形成连续SiO₂阻挡层，孔隙率随烧结过程降低。涂层热导率比块体材料降低10-30%，归因于孔隙对声子传输的阻断效应。

该研究开创性地建立了高熵陶瓷的智能化设计范式，解决了传统方法在多元体系优化中的效率瓶颈。通过精确调控稀土离子组合引发的晶格畸变和质量涨落，实现了声子散射的协同增强，为开发下一代耐极端环境的热障/环境屏障一体化涂层提供了新思路。特别值得注意的是，该方法展现出的"成分-结构-性能"关联规律，可推广至其他多功能陶瓷的材料设计，对推动航空发动机关键材料的自主创新具有重要战略意义。