硅基陶瓷复合材料,例如碳化硅连续纤维(SiCf)增强碳化硅(SiC)基复合材料(SiCf/SiC CMC)是未来燃气轮机高温结构部件的重要候选材料,其应用在高温燃气环境中须在基体表面施加热障/环境屏障涂层(T/EBC)以提高基体的环境耐蚀性。T/EBC材料筛选和涂层结构设计需满足一系列严苛的条件,包括良好的高温稳定性,优异的隔热性能,良好的抗氧化性能和抗低熔点氧化物腐蚀性能,与基体之间匹配的热膨胀系数、化学相容性等。其中,低热导率和适宜的热膨胀系数是T/EBC材料筛选的首要条件。目前先进T/EBC采用复合结构涂层的设计,其中稀土硅酸盐陶瓷材料被用作扩散阻挡层提高涂层体系的抗水蒸气腐蚀能力,吸引了广泛的关注。稀土硅酸盐陶瓷家族庞大,晶体结构复杂,不同稀土元素可以形成复杂的多晶型结构,然而关于其本征热学性能机理的研究较少。因此,为了推进稀土硅酸盐陶瓷应用于T/EBC涂层体系,优化成分设计,须对其热学性能及声子行为进行深入的研究。在理解其微观机制的基础上,结合“声子工程”概念探究其作为T/EBC的性能优化方案。本论文研究工作以此为背景,主要围绕以下方面展开:采用第一性原理方法研究双硅酸盐β-,γ-,δ-Y2Si2O7多晶型和单硅酸盐X2-Y2SiO5四种材料晶格中基本结构单元构型及畸变程度、原子成键情况、弹性性能及本征晶格热导率。研究发现材料具有明显的化学键非均匀性、弹性各向异性和较强的晶格振动非简谐性。建立了材料微观晶体结构、化学键特征与宏观弹性和热学性能的内在关联,为预测和优选复杂结构低热导率氧化物陶瓷提供了理论基础。采用晶格动力学方法研究了单硅酸盐X2-Y2SiO5和双硅酸盐γ-Y2Si2O7材料声子态密度、色散关系、模式格林艾森系数和原子热振动方式。研究发现材料中低频光学声子与声学声子之间存在明显的耦合作用,具有较强的非简谐性。采用经典热导率模型计算晶格热导率,发现两种材料中纵声学模式对晶格热导率的贡献高于横声学模式。采用准简谐近似方法研究了X2-Y2SiO5与γ-Y2Si2O7材料热膨胀系数,发现低频声子非简谐性的“绝对值大小”和“正负”,以及平均原子键强差异是决定两种材料热膨胀系数差异的原因。总结了材料热传导和热膨胀行为的协同机制,为基于“声子工程”概念协同调控晶格热导率和热膨胀系数提供了理论指导。采用第一性原理方法研究γ-Y2Si2O7材料在静水压力下晶体结构、原子成键情况、弹性模量、声子谱及晶格热导率的变化趋势。发现该材料具有晶格热导率随静水压力下降的趋势。这种反常行为的物理机制为声学声子非简谐性增强和散射加剧。这一发现为稀土硅酸盐热传导行为调控提供了一种新的思路。对比研究几种稀土双硅酸盐多晶型材料β-,γ-,δ-RE2Si2O7(RE=Y,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu)的热膨胀行为,发现共角双四面体单元中Si-O-Si桥的线性或弯折结构及桥中心位置的氧原子与近邻稀土原子间相互作用强弱决定了低频声子对应的原子振动方式和非简谐性的“正负”特征,以及多面体单元的平均强度,因此可被视为控制稀土双硅酸盐材料热膨胀行为的“基因”。采用固态反应法合成(Dy0.15Yo.85)2Si2O7固溶体粉末,发现其在1 550℃条件下可以稳定在非完美γ晶型结构,且体膨胀系数较γ-Y2Si2O7有所提高,源于离子掺杂引起的晶格畸变在一定程度上改变了共角双四面体单元强度和对应的低频声子非简谐性特征。研究为调控和优化稀土双硅酸盐材料热膨胀行为提供新思路,并有助于实现复合结构T/EBC涂层各组分之间热膨胀系数的匹配。