昆明理工大學(xué)在材料計算與智能設(shè)計方向取得重要進展

隨著材料科學(xué)與人工智能的不斷交叉和深度融合，材料智能設(shè)計和制造正引領(lǐng)材料科學(xué)的未來方向，成為制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級和新質(zhì)生產(chǎn)力的全新動力來源。其中，新的跨尺度建模和算法開發(fā)是關(guān)鍵問題之一。昆明理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院金屬先進凝固成形及裝備技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心種曉宇教授和馮晶教授等人開發(fā)了耦合第一性原理計算、材料熱力學(xué)、多場耦合有限元模擬和機器學(xué)習(xí)的跨尺度模型，初步構(gòu)建了一個多尺度集成計算+機器學(xué)習(xí)的可拓展性框架，可以用來評價和調(diào)控涂層或薄膜體系在制備和服役過程中的熱應(yīng)力，取得了系列階段性研究成果。

（1）建立和應(yīng)用跨尺度熱應(yīng)力模型，對低應(yīng)力的稀土鉭酸鹽熱障涂層體系進行逆向設(shè)計，成功找到低熱應(yīng)力相關(guān)特征。相關(guān)研究成果以“unveiling thermal stresses in retao4 (re = nd, sm, eu, gd, tb, dy, ho and er) by first-principles calculations and finite element simulations”為題，發(fā)表在國際頂級學(xué)術(shù)期刊acta materialia上。

圖1：耦合第一性原理計算、有限元模擬和機器學(xué)習(xí)的跨尺度熱應(yīng)力評估模型

（2）更進一步的，將材料的熱力學(xué)相變考慮到跨尺度熱應(yīng)力評價模型中，成功預(yù)測升溫/降溫循環(huán)過程中稀土鉭酸鹽熱障涂層體系的熱應(yīng)力分布及其演變。結(jié)果表明，相變會引起熱應(yīng)力的突變，這主要是由于相變前后楊氏模量和熱導(dǎo)率突變導(dǎo)致的。相關(guān)研究成果以“capturing and visualizing the phase transition mediated thermal stress of thermal barrier coating materials via a cross-scale integrated computational approach”為題，發(fā)表在國際頂級學(xué)術(shù)期刊journal of advanced ceramics上。

圖2：考慮多層結(jié)構(gòu)體系相變的跨尺度熱應(yīng)力評估模型

（3）優(yōu)異的隔熱性能是熱障涂層低熱應(yīng)力和穩(wěn)定、長時服役的關(guān)鍵，但稀土鉭酸鹽低熱導(dǎo)率的起源之前尚不清晰。通過第一性原理結(jié)合玻爾茲曼輸運方程求解，揭示了稀土鉭酸鹽低熱導(dǎo)率的機制：低的聲學(xué)支截止頻率和強的聲光學(xué)支抗交叉導(dǎo)致稀土鉭酸鹽的強非諧效應(yīng)和大的散射率。最后篩選出兩個低熱導(dǎo)率的特征：大的多面體畸變程度和小的拉伸力常數(shù)。相關(guān)研究成果以“understanding the ultralow lattice thermal conductivity of monoclinic retao4 from acoustic-optical phonon anti-crossing property and a comparison with zro2”為題，發(fā)表在國際頂級學(xué)術(shù)期刊journal of the american ceramic society上，并入選esi高被引論文。

圖3：稀土鉭酸鹽低熱導(dǎo)率的本征機制

上述工作的第一作者為昆明理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院干夢迪博士，種曉宇教授、馮晶教授為通訊作者。得到了云南省稀貴金屬材料基因工程專項、國家重點研發(fā)計劃課題和國家部委基礎(chǔ)加強項目的支持。該工作提出的跨尺度模擬方法耦合熱物性、相變和宏觀結(jié)構(gòu)，為預(yù)測多層體系的應(yīng)力提供了有效的途徑，同時可進行低應(yīng)力熱障涂層體系逆向設(shè)計和逆向選材，對推進材料多尺度集成計算的工程應(yīng)用具有一定的參考意義。

（供稿：材料學(xué)院）