热障涂层（Thermal barrier coatings, TBCs）应用于重型燃气轮机、航空发动机和高超声速飞行器的高温零部件表面提供隔热降温的作用，是上述国之重器的必备材料，与国防安全和国民经济的发展息息相关。新一代超高温热障涂层材料应该具有高工作温度（1600 ℃）、低热导率（≦2 W·m^-1·K^-1）、可控的热膨胀系数、高断裂韧性（≧3 MPa·m^1/2）和抗CMAS（CaO-MgO-AlO_1.5-SiO₂）腐蚀等特点，从而在严苛的高温服役环境下长期使用并提供优异的隔热降温梯度。

稀土钽酸盐（RETaO₄，RE代表稀土元素）的铁弹性相变过程是一种无体积差的二级相变，同时其具有铁弹性增韧、低热导率、可调的热膨胀系数和耐CMAS腐蚀的特点，一直以来被作为下一代的超高温热障涂层进行研究。为了进一步提高稀土钽酸盐的隔热降温梯度、实现其热膨胀系数的可控性和探讨铁弹畴对其热学性质的影响机制，我校团队研究人员系统探讨了HfO₂合金化YTaO₄、(Sm_1-xYb_x)TaO₄固溶体和SmTaO₄/ScTaO₄复合陶瓷的热学性质控制机制。取得的主要突破有：1）实验上确定了RETaO₄的实际极限热导率为1.3 W·m^-1·K^-1，接近其理论极限值（1.2 W·m^-1·K^-1），约是当前YSZ热障涂层（2.5 W·m^-1·K^-1）的一半，证明稀土钽酸盐涂层能够提供更为优异的隔热降温梯度；解析了铁弹畴、晶格点缺陷（氧空位、原子质量差和离子半径差）、相界和高温热辐射等对总热导率的贡献；2）实现了稀土钽酸盐陶瓷热膨胀系数的可控性（6~11×10^-6K^-1，1200 ℃），揭示了热膨胀系数的控制机制，为拓展稀土钽酸盐在热障涂层、环境障涂层和封严涂层等领域的应用奠定理论基础；3）利用高分辨投射电子显微镜表征了稀土钽酸盐的铁弹畴界是一种扩散性边界，其相变过程是通过原子的微小偏转和移动完成的，这有利于降低相变能并减小相变前后的体积差，使得稀土钽酸盐涂层可以在超高温度长期服役使用。

日前，相关研究成果以“Characteristics of ferroelastic domains and thermal transport limits in HfO₂alloying YTaO₄ceramics. Acta Materialia 251 (2023) 118870”、“Simultaneous manipulations of thermal expansion and conductivity in symbiotic ScTaO₄/SmTaO₄composites via multiscale effects. Journal of Advanced Ceramics 12 (2023)期刊封面论文”和“Defect-dominated phonon scattering processes and thermal transports of ferroelastic (Sm_1-XYb_X)TaO₄solid solutions. Materials Today Physics 35 (2023) 101118”分别在Acta Materialia、Journal of Advanced Ceramics和Materials Today Physics上发表。

半岛平台为上述成果的第一完成单位，并得到了香港理工大学和北京大学深圳研究生院等单位研究人员的支持；材料学院博士研究生陈琳为第一作者；相关研究获得了国家自然科学基金、云南省稀贵金属材料基因组工程和半岛平台研究生拔尖创新人才等项目的支持。

论文链接：

Acta Mater.:https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.118870

J. Adv. Ceram.:https://doi.org/10.26599/JAC.2023.9220776

Mater. Today Phys.:https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2023.101118

（供稿：材料学院)