隨著材料科學與人工智能的不斷交叉和深度融合，材料智能設計和制造正引領材料科學的未來方向，成為制造業轉型升級和新質生產力的全新動力來源。其中，新的跨尺度建模和算法開發是關鍵問題之一。昆明理工大學材料科學與工程學院金屬先進凝固成形及裝備技術國家地方聯合工程研究中心種曉宇教授和馮晶教授等人開發了耦合第一性原理計算、材料熱力學、多場耦合有限元模擬和機器學習的跨尺度模型，初步構建了一個多尺度集成計算+機器學習的可拓展性框架，可以用來評價和調控涂層或薄膜體系在制備和服役過程中的熱應力，取得了系列階段性研究成果。
（1）建立和應用跨尺度熱應力模型，對低應力的稀土鉭酸鹽熱障涂層體系進行逆向設計，成功找到低熱應力相關特征。相關研究成果以“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，發表在國際頂級學術期刊Acta Materialia上。
圖1：耦合第一性原理計算、有限元模擬和機器學習的跨尺度熱應力評估模型
（2）更進一步的，將材料的熱力學相變考慮到跨尺度熱應力評價模型中，成功預測升溫/降溫循環過程中稀土鉭酸鹽熱障涂層體系的熱應力分布及其演變。結果表明，相變會引起熱應力的突變，這主要是由于相變前后楊氏模量和熱導率突變導致的。相關研究成果以“Capturing and visualizing the phase transition mediated thermal stress of thermal barrier coating materials via a cross-scale integrated computational approach”為題，發表在國際頂級學術期刊Journal of Advanced Ceramics上。
圖2：考慮多層結構體系相變的跨尺度熱應力評估模型
（3）優異的隔熱性能是熱障涂層低熱應力和穩定、長時服役的關鍵，但稀土鉭酸鹽低熱導率的起源之前尚不清晰。通過第一性原理結合玻爾茲曼輸運方程求解，揭示了稀土鉭酸鹽低熱導率的機制：低的聲學支截止頻率和強的聲光學支抗交叉導致稀土鉭酸鹽的強非諧效應和大的散射率。最后篩選出兩個低熱導率的特征：大的多面體畸變程度和小的拉伸力常數。相關研究成果以“Understanding the ultralow lattice thermal conductivity of monoclinic RETaO4 from acoustic-optical phonon anti-crossing property and a comparison with ZrO2”為題，發表在國際頂級學術期刊Journal of the American Ceramic Society上，并入選ESI高被引論文。
圖3：稀土鉭酸鹽低熱導率的本征機制
上述工作的第一作者為昆明理工大學材料科學與工程學院干夢迪博士，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、國家重點研發計劃課題和國家部委基礎加強項目的支持。該工作提出的跨尺度模擬方法耦合熱物性、相變和宏觀結構，為預測多層體系的應力提供了有效的途徑，同時可進行低應力熱障涂層體系逆向設計和逆向選材，對推進材料多尺度集成計算的工程應用具有一定的參考意義。
