新型陶瓷有望实现更热的燃气轮机产生更多电力

Skoltech的研究人员已经发现了用于金属涂层的有前景的陶瓷材料，可以提高燃气轮机的效率。如果进一步的实验测试成功，这些涂层将使发电厂能够产生更多的电力，并使喷气式飞机消耗更少的燃料。随着材料发现技术的尝试和测试，研究人员打算继续搜索并找到更多具有更好性能的候选者。该研究发表在《物理评论材料》上。

热障涂层用于保护发电厂和喷气发动机的涡轮叶片。叶片本身由镍基高温合金制成。它们提供了高温强度、韧性和抗降解性的完美结合。然而，当事情变得非常热时，超级合金会软化，甚至可能熔化。保护涂层使得涡轮机可以在更高的温度下运行，而不会影响其完整性。在这种情况下，更高的温度意味着更高的效率。

研究合著者 Artem R. Oganov 教授表示：“现在的热障涂层是由氧化钇稳定的氧化锆制成的，但如果使用性能更好的材料来代替，就能从涡轮机中获得更多有用的电力。”他是 Skoltech 材料发现实验室的负责人。

“要找到这样的材料，首先必须想出通过计算预测其属性的候选材料。我们测试了一系列方法，并确定了其中最好的方法来计算相关材料属性，特别是导热率。在论文中，我们列出了一些有前途的候选人，但我们会继续寻找。”

热障涂层材料必须满足多项要求。它必须具有非常高的熔点和非常低的导热率。后一个属性特别难以计算，因为它取决于晶体中复杂的“非谐波”效应。此外，加热时，材料的膨胀速度应与高温合金大致相同，否则它会从表面剥落。

该材料不应在室温和涡轮机工作温度之间经历任何相变，否则会导致涂层破裂。它还应能承受高温下灰尘颗粒和氧气的影响，并防止氧离子到达底层金属并将其氧化。

“虽然我们确实计算了其他属性，但问题的关键是预测热导率，”研究合著者、Skoltech 博士说。学生马吉德·泽拉蒂。“我们证明，通过均质非平衡分子动力学模拟，此类预测在计算上是可行的且相当准确。这被证明有些出乎意料，因为此类模拟涉及大量计算和广泛的统计数据，导致计算复杂性很高。

“尽管如此，我们还是通过补充机器学习潜力来简化该方法：也就是说，原子之间的相互作用是使用人工智能预测的，而不是直接计算的。”

Skoltech 的研究已经重点介绍了一些有望超越当前冠军氧化钇稳定氧化锆的材料。其中包括铌酸钇(Y 3 NbO 7)、钙钛矿结构BaLaMgTaO 6和BaLaMgNbO 6以及另外七种材料。也就是说，该团队计划继续进行计算搜索，以确定可能的备份选项以及仍然存在的潜在更好的候选者。