二 - 昆明理工大学根植红土情系有色坚

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1、推荐国家自然科学奖项目公示项目名称高性能热障涂层材料的结构设计与热物理性能研究推荐专家南策文，周玉，吴以成推荐专家意见：本人认真审阅了该项目的推荐书及附件材料，查询国内外相关研究的进展，并咨询有关国际专家对项目的评价，确认其全部材料真实有效，相关内容及格式均符合国家科学技术奖励工作办公室的填写要求。本项目以燃气轮机、航空发动机中的关键材料陶瓷热障涂层为背景，系统研究了低导热陶瓷材料热物理性能的基本规律，发现了如rattling效应等陶瓷材料中新颖的声子散射机制，以及通过特殊形态的点缺陷提高热膨胀系数等规律，构建了预测与计算低热导材料热学与力学性质

2、的方法并从电子-原子层次揭示了影响材料热导率的影响因素，并研制出了一系列新型超低热导率和较高热膨胀系数的热障涂层材料。研究工作具有系统性、创新性和前沿性，对相关领域的发展起了重要促进作用。成果对陶瓷材料科学发展的意义如下：（1）目前国内外对于陶瓷材料的高温热物理性能研究报道不多，而项目完成人在这个领域做了系统性、前沿性的工作，对于深入理解陶瓷涂层材料在高温下的导热机制和服役性能、探索新型高性能热障涂层新材料有重要意义，为我国开发下一代高温高效的燃气轮机、航空发动机具有重要的理论参考价值；（2）极端环境服役材料是我国十三五规划的重要研究方向，在我国

3、国防、航空航天以及国民经济等领域有关键应用。本项目中所研究的陶瓷材料的结构设计、合成、热传导机理等基本方法和规律，对于深入理解陶瓷材料在极端环境下的热物理性能表现，如温度相应特性和相稳定性也有重要借鉴意义。项目完成人在材料领域权威期刊ACTAMATER、美国陶瓷学会会刊以及物理类权威期刊PRL、PRB上发表多篇有影响的论文。完成人在国际和国内的陶瓷科学领域具有广泛的影响力，多次受邀作国际会议大会报告和特邀报告，多次以大会主席身份举办大型学术会议，如2014年的5thInternationalCongressonCeramics。由于在低导热陶瓷研

4、究以及其他结构陶瓷研究方面的独特贡献，项目完成人于2015年度入选世界陶瓷科学院院士（AcademicianofTheWorldAcademyofCeramics）。推荐该项目为国家自然科学奖二等奖。项目简介：本项目属于特种结构陶瓷领域。陶瓷热障涂层材料是燃气轮机、航空发动机等高温热机中核心部件的重要热防护材料，须在高温环境下具备低导热、高热膨胀及优异机械性能。团队从2001年起在高温陶瓷材料设计、热传导机制和新材料体系探索等方面持续开展了前沿性、系统性的基础和应用基础研究。本项目系统研究了高温氧化物中点缺陷、有序无序转变、晶格弛豫对声子运动及热

5、导机制影响规律，发现了多种改善陶瓷高温热物理性能的新原理和新机制，取得以下原创性成果：（1）发现了陶瓷点缺陷引起的局域化学键、晶格畸变、晶格原子质量起伏对声子传导的影响规律。基于有效介质理论，建立了描述点缺陷声子散射的定量物理模型，在相关领域得到认可和应用；依据该理论模型，研制出一系列具有超低热导率的新材料体系，包括具有高氧空位浓度的新型萤石结构RE2Zr2O7体系、Ba2REAlO5体系以及可实现多种点缺陷设计的稀土硅酸盐材料，将陶瓷材料在高温下的最低热导率拓展到了1.0W/(m·K)。获得的Sm2Zr2O7系列材料成功应用于1600oC高温热

6、机。（2）发现了陶瓷材料中局域非简谐振动是降低声子平均自由程的有效途径。研究发现在体积较大的晶体学位置掺杂小尺寸重原子，能够产生强烈的局域性非简谐振动，可有效阻碍声子传输，从而使陶瓷材料在保持晶体结构特征下获得类非晶的极低热导率。这提供了制备新型低热导材料的特色途径，并得到国内外知名热障涂层材料科学家的检验和应用，研制出多种可用于高温涂层的高性能低热导材料。（3）通过第一性原理计算，从电子-原子层次揭示了影响热导率的本质影响因素，可以实现对新型低热导率陶瓷材料的组份和结构的快速筛选与设计。运用该方法研究了陶瓷中晶体结构的各向异性对热导率的影响规律

7、，发现层状材料的弹性性质和声子传输速度对于晶体学方向极为敏感，层状材料晶格点阵中周期性原子质量起伏能够有效散射声子并降低热导率。（4）发现了氧化物材料中特殊形态晶格缺陷对热膨胀系数的影响规律。发现氧化物材料中的间隙金属阳离子和阴离子空位能够有效降低晶格能，显著增强晶格非谐振系数，使热膨胀系数大幅提升。由此发现间隙Mg2+掺杂Sm2Zr2O7及高氧空位Ba2REAlO5在1000oC时热膨胀系数分别达到11.94×10-6K-1和12.0×10-6K-1。相关论文被Wiley旗下重要文摘期刊Cheminform收录。本项目共发表SCI论文80余篇，

8、包括物理类顶级期刊PRL2篇、PRB2篇、ActaMater10篇、陶瓷领域顶级刊物JACerS和JECerS14篇，受邀在MRSBul