[发明专利]一种三元高温热障材料筛选的高通量模拟方法

说明书

本发明公开了一种三元高温热障材料筛选的高通量模拟方法，步骤一、三元氧化物模型的构建：确定材料结构空间群，通过公开的国际晶体学数据库或者文献进行初始材料的搜索，获得满足该结构的所有材料的晶格参数和原子坐标，构建计算软件用的结构文件；步骤二、计算模拟：设置输入文件，进行结构优化得到稳定结构；据此，设置输入参数，进行弹性常数、多晶弹性模量、热导率和氧空位形成能的计算；步骤三、结果处理与分析：通过结构稳定性、热导率以及损伤容性等筛选判据，并进一步考虑量产经济成本和环境友好性，预测热障涂层候选材料，通过高通量模拟计算材料的热导率以及力学性能，建立了多维度的性能评价方法，为热障涂层材料的预测起到积极作用。

技术领域

本发明属于热障材料筛选技术领域，具体涉及一种三元高温热障材料筛选的高通量模拟方法。

背景技术

高推重比航空发动机和大型燃气轮机是飞机、船舶和发电设备的核心部件，热障涂层(TBC)是航空发动机和燃气轮机高温合金叶片表面的热防护材料。随着航空发动机和燃气轮机的设计使用温度逐代提高，当前商用热障涂层材料服役中易失效，迫切需要研发具有更低热导率和更高使用温度的新型材料。低的高温热导率、优异的高温热稳定性、与高温合金匹配的热膨胀系数和损伤容性是热障涂层材料的关键性能。三元氧化物陶瓷具有熔点高、高温稳定性好、可调控的热导率、与高温合金相匹配的热膨胀系数、低氧传输系数、高损伤容限以及高缺陷容忍度等优点。这些特点使得三元氧化物在热障涂层材料领域受到人们广泛关注。

由于三元氧化物阳离子可以在周期表中很大范围来选取，使得热障涂层材料备选体系非常庞大，传统的材料研究采用“试错法”，研究效率低，无法指导未知体系的材料研发，因此本发明提出了一种三元高温热障材料筛选的高通量模拟方法，高通量计算可以通过生成大量数据，并通过数据分析来预测和筛选具有特定性能的新材料，借助高通量筛选，可以对体系的力学/热学性能进行综合、快速的判断，对热障涂层材料的筛选起到积极的作用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有的缺陷，提供一种三元高温热障材料筛选的高通量模拟方法，其通过高通量模拟批量计算材料的晶体结构、力学性能、晶格热导率和氧空位形成能，建立了以低热导率、高损伤容性和高温稳定性为判据的多维度的性能评价方法，并进一步用其预测了适用于热障涂层的三元氧化物基材料。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种三元高温热障材料筛选的高通量模拟方法，包括以下步骤：

步骤一、三元氧化物模型的构建：确定材料的结构空间群，通过公开的国际晶体学数据库或者文献进行初始材料的搜索，获得满足该结构的所有材料的晶格参数和原子坐标，构建计算软件用的结构文件；

步骤二、计算模拟：设置输入文件，进行结构优化得到稳定结构；据此，设置输入参数，进行弹性常数、多晶弹性模量、热导率和氧空位形成能的计算；

步骤三、结果处理与分析：通过结构稳定性、热导率以及损伤容性等筛选判据，并进一步考虑量产经济成本和环境友好性，预测热障涂层候选材料。

进一步地，所述热障涂层的筛选方法是基于密度泛函的第一性原理计算，筛选对象是具备特需力学性能和热性能的结构材料。

进一步地，所述热障涂层的待筛选体系模型的收敛性和服役性能并非完全一致，可根据实际情况自行设置，方便使用。

进一步地，所述热障涂层的力/热性能的计算软件为VASP(ViennaAb-initioSimulationPackage)软件，准确性高。

进一步地，所述三元氧化物筛选为热障涂层材料的高通量模拟方法，交换关联泛函采用广义梯度近似GGA-PBEsol方法，所有计算都考虑自旋极化，平面波赝势的截断能设置为500eV以上，结构优化的收敛标准设置为保证体系的计算结果在可控的计算量内达到足够的计算精度。