复杂氧化物陶瓷导热系数的原子尺度模拟与机理研究

In this project, the thermal conductivity of Aurivililus structure oxide will be simulated using atomistic simulations. The effect of atomic level modification on thermal conductivity in complex oxides and its intrinsic mechanism will be investigated. The research contents will include four parts and be carried out in the following sequences: (1) The available interatomic potentials of related elements in Aurivililus structure oxide will be verified and good quality potentials will be derived to perform credible thermal conductivity calculation in high temperature ranges. (2) The shell model will be incorporated in MD code to describe dipole polarization of electrons more exactly, and hence achieve more accurate thermal conductivity calculations. (3) The effect of atomic level modification (point defects, grain size and orientation and etc.) on thermal conductivity will be quantified and analyzed, respectively. (4) The phonon speed, phonon mean free path, heat capacity in the above situations will be calculated. SED method integrated with MD will be employed to extract the fully-anharmonic phonon frequencies and associated phonon scattering rate for individual phonon mode. Thermal transport mechanism will be then explored based on more detailed phonon information obtained from above methods. The project will provide in-depth understanding of thermal transport mechanism in complex oxide to optimize atomic level microstructure for the selection and design of a new generation of thermal barrier coating materials.

本项目拟使用原子尺度模拟方法研究极具潜力的Aurivililus结构氧化物陶瓷的导热系数，揭示诸多原子层面的改变对热传导的影响规律和内在机制。研究内容包括：（1）验证相关元素现有原子势的准确性，推导高质量的适用于高温下导热系数模拟计算的原子势。（2）引入能更好描述电子极化的壳模型，优化基于分子动力学的导热系数计算方法；（3）改变该类材料中点缺陷种类和分布、类钙钛矿层数、晶粒大小与晶界取向等，系统计算各种条件下的导热系数，量化上述各因素对导热系数的影响规律；（4）计算各种条件下氧化物陶瓷的声子速度、声子平均自由程和比热容等物理参量，结合SED方法分离原子非谐振动与晶体缺陷对声子模的影响，获得更多的声子信息，进行热传导的机理更深入的分析和探索。 本项目的研究有助于深化理解复杂陶瓷材料热导性的本质和实现原子层面的微观结构优化，为新一代隔热涂层材料的选择与设计提供可靠的依据。

本项目使用原子尺度模拟方法研究极具潜力的Aurivililus结构氧化物陶瓷的导热系数，揭示诸多原子层面的改变对热传导的影响规律和内在机制。开展了深入的研究，主要内容包括：（1）验证了相关元素现有原子势的准确性，推导了高质量的适用于高温下导热系数模拟计算的原子势。（2）引入了能更好描述电子极化的壳模型，优化了基于分子动力学的导热系数计算方法；（3）通过改变该类材料中点缺陷种类和分布、类钙钛矿层数、晶粒大小与晶界取向等参数，系统计算了各种条件下的导热系数，量化了上述各因素对导热系数的影响规律；（4）计算了各种条件下氧化物陶瓷的声子速度、声子平均自由程和比热容等物理参量，结合 SED 方法分离原子非谐振动与晶体缺陷对声子模的影响，获得了更多的声子信息，进行了热传导的机理更深入的分析和探索。本项目的研究成果有助于深化理解复杂陶瓷材料热导性的本质和实现原子层面的微观结构优化，为新一代隔热涂层材料的选择与设计提供可靠的依据。