靳 磊，崔向中，王 純，周國棟，姜春竹，李其連，楊 璟

(北京航空制造工程研究所 高能束流加工技術(shù)重點實驗室，北京 100024)

釔硅酸鹽材料力學性能的第一性原理研究

靳 磊，崔向中，王 純，周國棟，姜春竹，李其連，楊 璟

(北京航空制造工程研究所 高能束流加工技術(shù)重點實驗室，北京 100024)

為深入研究Cf/SiC復合材料釔硅酸鹽涂層材料Y2SiO5與Y2Si2O7的力學性能，為釔硅酸鹽涂層體系的設計提供理論依據(jù)，基于第一性原理廣義梯度近似，研究釔硅酸鹽理想晶體X1-Y2SiO5和γ-Y2Si2O7的電子結(jié)構(gòu)、力學性能。結(jié)果表明：X1-Y2SiO5和γ-Y2Si2O7均為機械穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，X1-Y2SiO5與γ-Y2Si2O7的體模量、剪切模量、彈性模量、泊松比分別為112，49，128GPa，0.31和114，55，142GPa，0.29?？梢奨1-Y2SiO5的模量較γ-Y2Si2O7低。同時研究二者理想晶體的韌性、熱膨脹系數(shù)、殘余應力。結(jié)果表明：X1-Y2SiO5韌性較γ-Y2Si2O7好，熱膨脹系數(shù)較γ-Y2Si2O7高，殘余應力較γ-Y2Si2O7低。

Y2SiO5；Y2Si2O7；第一性原理；力學性能

Cf/SiC復合材料已成功用于噴管、推力室等發(fā)動機高溫部件。但Cf/SiC復合材料工程化應用主要瓶頸問題是其高溫抗氧化性能差。表面涂層法是復合材料實現(xiàn)高溫長時抗氧化的主要方法[1]。目前，表面涂層材料經(jīng)歷了莫來石、Si-W系[2]、Si-Mo系[3,4]等不同的發(fā)展歷程。

近年來，硅酸釔系材料因具有低氧滲透率，低揮發(fā)率以及熱力學穩(wěn)定性能，作為Cf/SiC復合材料的抗氧化涂層引起了廣泛關(guān)注。如國外Aparicio等[5,6]采用浸涂-燒結(jié)法獲得X2-Y2SiO5(30%)和δ-Y2Si2O7(70%)復相涂層體系，熱膨脹系數(shù)更接近SiC，抗氧化涂層壽命明顯提高。國內(nèi)黃劍鋒等[7,8]先后采用等離子噴涂法、原位形成法，通過調(diào)整氧化物粉體配比獲得性能較好的硅酸釔系涂層。目前有關(guān)硅酸釔系粉末研制、涂層制備、性能等方面有大量的報道[9-11]。但以往研究比較分散，不同研究者數(shù)據(jù)甚至差別極大，因為Y2SiO5中常伴隨Y2O3，Y4Si3O12，Y4.67(SiO4)3O，Y2Si2O7等復雜化合物，Y2SiO5有低溫相X1-Y2SiO5和高溫相X2-Y2SiO5，其相轉(zhuǎn)變溫度為900℃。Y2Si2O7包括y，α，β，γ(中高溫相)，δ(1535℃以上穩(wěn)定存在)和z-Y2Si2O76種同質(zhì)異形體，不同SiO2和Y2O3配比，不同材料制備方法造成Y原子遷移，最終多形體相互轉(zhuǎn)化形成多種硅酸釔鹽混合物[12-14]。以往研究Y2SiO5大都關(guān)于其高溫相X2，而實際情況是X1低溫相的熱膨脹系數(shù)更低、更易產(chǎn)生較大應力，對涂層破壞更加嚴峻，因此研究X1低溫相非常必要。

本研究采用第一性原理研究X1-Y2SiO5和γ-Y2Si2O7的力學性能，涉及的物理量主要包括：彈性常數(shù)(決定晶體結(jié)構(gòu)的機械穩(wěn)定性)、體模量、剪切模量、彈性模量(影響涂層的殘余應力，進而影響涂層服役壽命)、硬度(影響涂層的抗沖刷性能)、材料延展性(影響涂層的熱匹配)、熱膨脹性能及殘余應力(影響涂層開裂、脫落及服役壽命)等，這些參數(shù)的研究對環(huán)境障礙涂層材料的選擇與結(jié)構(gòu)設計具有重要的借鑒意義。

1 晶體結(jié)構(gòu)

Y2SiO5屬單斜二軸晶系，空間群為P21/C，Y3+的配位數(shù)為7和9。表1給出低溫相X1-Y2SiO5的晶格常數(shù)[15]，a=0.935nm，b=0.730nm，c=0.690nm，晶面角度γ=108.2°。

Y2SiO5結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，晶體中含有2個畸變的八面體Y格位和1個畸變的四面體Si格位，本研究選取含4個Si、8個Y和20個O的超胞進行模擬計算(4×Y2SiO5)。釔含量最低的γ-Y2Si2O7屬單斜相，格子空間群為P21/C，一個Y2Si2O7單胞中有1個晶體學等同的Y原子位置、1個等同的Si原子位置和4個非等同的O原子位置，其晶體結(jié)構(gòu)由變形的SiO4四面體和YO6八面體組成，其中SiO4四面體兩兩由Si-O-Si鍵連接形成Si2O7單元(見圖1(b))。本研究計算的超胞由4個Y2Si2O7單胞組成。

表1 硅酸釔材料晶格參數(shù)與實驗值比較Table 1 Lattice parameters of yttrium silicates, together with experimental data for comparison

圖1 Y2SiO5(a)和Y2Si2O7(b)晶體結(jié)構(gòu)Fig.1 The crystal structures of Y2SiO5(a)and Y2Si2O7(b)

2 計算方法概述

本研究第一性原理計算使用CASTEP程序包[16]，采用廣義梯度近似(GGA-PBE)方法描述交換關(guān)聯(lián)能的影響。選用O的2s22p4，Si的3s23p2，Y的4d15s2態(tài)為外層價電子，其他電子與核子一起被視為原子核部分。計算中采用Broyden Flecher Goldfarb Shanno (BFGS)共軛梯度方法的Pulay密度混合方案對其進行幾何優(yōu)化。設置平面波截斷能量為430eV，結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中的最小能量為10-5eV/atom，自洽計算的收斂標準為10-6eV。K點的設置方式為在布里淵區(qū)內(nèi)使用Monkhost-Pack方法，對Y2SiO5和Y2Si2O7計算分別采用2×2×2和2×2×3個K點。一系列計算參數(shù)測試表明，選取更大的截斷能和更多的K點對計算結(jié)果幾乎無影響。

計算材料的力學性能具體步驟為：(1)構(gòu)建晶胞；(2)幾何優(yōu)化晶胞結(jié)構(gòu)，找到其能量最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)；(3)采用應力-應變方法計算晶體的彈性常數(shù)；(4)采用Voigt-Reuss-Hill(VRH)方法[17]計算晶胞的體模量B、剪切模量G和彈性模量E等；(5)通過其他理論方法計算所需性能。

3 結(jié)果與討論

3.1 幾何結(jié)構(gòu)

幾何優(yōu)化是材料性能研究的首要任務，晶胞參數(shù)正確與否直接關(guān)系到其他性能計算的準確性，因此首先采用廣義梯度近似(GGA-PBE)方法計算兩種晶體的晶胞參數(shù)。表1給出優(yōu)化后的X1-Y2SiO5和γ-Y2Si2O7晶格常數(shù)以及實驗測量值?？梢姳狙芯康挠嬎阒蹬c實驗測量值最大誤差不超過5.7%，說明計算參數(shù)設置較為合理，同時以往研究均表明：高估材料的晶格參數(shù)是GGA近似計算的普遍性問題[18]，并不影響性能的計算。

3.2 力學性能

3.2.1 體模量、剪切模量、彈性模量

材料的體模量、剪切模量、彈性模量、機械穩(wěn)定性等力學性能計算均來源于彈性常數(shù)，彈性常數(shù)計算是材料力學性能研究的基礎。因此首先采用應力-應變方法計算單晶Y2SiO5和Y2Si2O7的二階彈性常數(shù)，結(jié)果列于表2中?？梢姡琘2SiO5和Y2Si2O7二階彈性模量的共同特征是：描述材料抵抗軸向的拉伸應變能力的C11，C33都較高；描述材料抵抗剪切應變能力的C44，C66都較低，驗證Y2SiO5和Y2Si2O7兩種物質(zhì)抗軸向的拉伸強度較強，而抗剪切強度較弱。表2所示的彈性常數(shù)數(shù)值大小均不同，也揭示了由材料各向異性化學鍵引起的彈性剛度的各向異性。

體模量B、剪切模量G、彈性模量E根據(jù)Voigt-Reuss-Hill(VRH)方法計算，結(jié)果如表2所示。以往參考文獻[19,20]主要涉及Y2SiO5和Y2Si2O7的高溫相，且稀土化合物體模量數(shù)值大都介于130～180GPa之間，剪切模量大都介于40～70GPa之間，彈性模量與體模量數(shù)值相近。盡管低溫相X1力學性能參考文獻公開報道較少，但本研究采用的計算方法具有普遍性以及計算參數(shù)的高精度設置，因此本研究數(shù)值可靠。

表2 Y2SiO5和Y2Si2O7的計算結(jié)果(彈性常數(shù)Cij, B, G, E/GPa)Table 2 Calculated results for Y2SiO5 and Y2Si2O7materials(Elastic constants, Cij, B, G, E/GPa)

3.2.2 延展性

Pugh[21]發(fā)現(xiàn)B/G的大小可表征材料的延展性，B/G愈大延展性愈好。本研究B/GY2SiO5=2.29，B/GY2Si2O7=2.07，表明Y2SiO5具有比Y2Si2O7較好的延展性。除B/G外，C11-C12和彈性模量E也是表征材料力學性能的重要物理量，C11-C12和彈性模量E越低，材料的塑性越好。(C11-C12)Y2SiO5和(C11-C12)Y2Si2O7理論計算值分別為110,170GPa，因此從(C11-C12)及彈性模量E兩者均可推斷Y2SiO5具有比Y2Si2O7較好的塑性。原因可解釋為Y2Si2O7晶體中滑移系較少，滑動過程中受離子鍵的作用，正負離子強烈吸引，鄰近同號離子劇烈推斥，使得滑移過程難以進行，塑性變形受到嚴格限制，同時在外力作用下，原子鍵一旦斷裂，將很難再與其他鍵結(jié)合，表現(xiàn)出脆性斷裂的特征。Y2Si2O7的剪切模量值為55GPa，相對Y2SiO5較大，這種具有大量共價鍵的涂層材料有較強的抵抗變形能力，表現(xiàn)出較明顯的脆性特性。

泊松比γ也被用來衡量晶格的切變穩(wěn)定性，其范圍通常為-1～0.5，泊松比越大物質(zhì)的塑性越好，波松比計算公式為γ=0.5-(E/6B)。計算所得的Y2SiO5和Y2Si2O7泊松比γ分別為0.31和0.29，同樣得出Y2SiO5的塑性相對Y2Si2O7較好。

Pugh還提出：斷裂應力與體模量B與晶格常數(shù)a的乘積有關(guān)(B×a)，根據(jù)表1與表2，計算得出Y2SiO5和Y2Si2O7的斷裂應力分別為104.7，90.4GPa·nm，可見Y2SiO5的斷裂應力相對Y2SiO5較高，其抗拉強度能力更強。

Gilman[22]提出體積指數(shù)S作為區(qū)分脆性和“塑性”材料的標準，其體積指數(shù)S=0.75G/B。采用表2數(shù)據(jù)，計算得到Y(jié)2SiO5和Y2Si2O7的體積指數(shù)S分別為0.328和0.362，較低的體積指數(shù)說明陶瓷具有高損傷容限。

通過對B/G，C11-C12，彈性模量E，泊松比γ，斷裂應力B×a和體積指數(shù)S這6種物理量的考察分析，均表明當噴涂材料采用低溫X1-Y2SiO5時，X1-Y2SiO5所具有的高損傷容限特性使其成為潛在的復合材料環(huán)境障礙涂層候選材料。同時根據(jù)環(huán)境障礙涂層方面文獻數(shù)量，也發(fā)現(xiàn)環(huán)境障礙涂層選用X1-Y2SiO5較多，選用Y2Si2O7作為材料較少。

3.2.3 鍵集居數(shù)及硬度分析

3.2.3.1 鍵長及鍵集居數(shù)

在X1-Y2SiO5晶體中，O1是橋接氧原子，不與Y原子成鍵；O2與一個Y原子成鍵；O3與兩個Y原子成鍵，Si—O鍵鍵長在0.1609～0.1653nm之間，Y—O鍵鍵長在0.2367～0.2896nm之間波動。Becerro等[23]的核磁共振測試表明X1-Y2SiO5的Y—O鍵長介于0.2390～0.2456nm之間，本研究與以往參考文獻非常吻合。由鍵長的變化可知Si—O鍵為強鍵，而Y—O鍵為弱鍵，也就是說Y2SiO5由強結(jié)合的SiO4四面體和弱結(jié)合YO6八面體構(gòu)成，Y—O鍵集中的弱結(jié)合面就容易發(fā)生晶粒分層、滑移、彎曲和扭折。

集居數(shù)也叫密里根布居數(shù)，集居數(shù)能反應鍵的強弱和復雜的成鍵模式。CASTEP中集居數(shù)采用Sanchez-Portal等[24]提出的方法計算，分析根據(jù)Mulliken公式。當鍵集居數(shù)為零時，原子之間的相互作用力很小，鍵集居數(shù)越正，共價性越強。相反，鍵集居數(shù)越負，反鍵性越強。從Y2SiO5的密里根布居數(shù)來看，Si—O鍵強度(介于0.53～0.56)普遍高于Y—O鍵(介于0.09～0.32)，Y—O鍵離子鍵成分更多一些。密里根布居數(shù)也說明Y2SiO5是由強鍵合的Si—O鍵和弱鍵合的Y—O鍵構(gòu)成。Y2Si2O7的Si—O鍵強度(介于0.43～0.56)普遍高于Y—O鍵(介于0.02～0.37)，Si—O鍵共價鍵更強。密里根布居數(shù)也說明Y2Si2O7是由強鍵合的Si—O鍵和弱鍵合的Y—O鍵構(gòu)成，鍵強組分類似于Y2SiO5。

鍵長和集居數(shù)大小不同反映出成鍵的異性特征。各向異性的化學鍵結(jié)合導致材料力學性質(zhì)的各向異性，即各向異性的成鍵模式可由各向異性的彈性模量反映出來。從表3可見Y2SiO5彈性模量Ez高于Ex和Ey，Y2SiO5晶體結(jié)構(gòu)中存在(100)和(010)兩個弱結(jié)合面，也使得剪切形變易于沿著這些結(jié)合面發(fā)生，此現(xiàn)象已在Yb2Si2O7等硅酸鹽中被觀察到，同時也驗證本研究計算的正確性。晶體結(jié)構(gòu)中化學鍵的各向異性導致沿弱結(jié)合面滑移、晶粒分層和扭折，在局域范圍內(nèi)耗散能量，阻止裂紋擴展。因此預測Y2SiO5是一種高損傷容限材料。而Y2Si2O7兩個弱結(jié)合面為(010)和(001)，因此剪切形變易于沿著這兩結(jié)合面發(fā)生，X1-Y2SiO5與Y2Si2O7弱結(jié)合面不一致，也是由兩者晶體的內(nèi)在成鍵及結(jié)構(gòu)不一致所致。

表3 Y2SiO5和Y2Si2O7的彈性模量及泊松比各向異性特征Table 3 Elastic modulus and Poisson’s ratio anisotropy characteristics for Y2SiO5 and Y2Si2O7 materials

3.2.3.2 硬度

發(fā)動機內(nèi)部外來粒子以及燃燒室內(nèi)壁剝落顆粒會不斷撞擊涂層表層，對涂層造成沖擊，因此陶瓷層須具備相當?shù)挠捕纫詼p少粒子撞擊造成的直接損傷。

采用Gao等[25]提出的以Mulliken電荷集居分析為理論基礎的計算材料硬度方法，此方法已成功計算了不同種類的化合物，如β-BC2N，YAlO3，Ni2MnGa等，計算表達式為：

(1)

根據(jù)公式(1)得到X1-Y2SiO5和γ-Y2Si2O7的維氏硬度分別為8.524GPa和9.821GPa。γ-Y2Si2O7的硬度大于X1-Y2SiO5。從理論角度預測了在涂層服役過程中γ-Y2Si2O7向X1-Y2SiO5轉(zhuǎn)變過程中涂層硬度將變低，硬度的減小主要歸因于涂層相變帶來的內(nèi)存儲彈性能的釋放，其他的如抗沖刷、抗冷熱交替能力也會隨硬度改變而發(fā)生一定程度變化。

3.2.4 熱膨脹系數(shù)

涂層選材時，須考慮熱膨脹系數(shù)與基體的匹配性，否則在熱循環(huán)過程中會因熱應力過大而破裂、脫落。

Arenz[26]研究表明：對于W，Mo金屬材料，Al2O3，NaCl，SiO2化合物，銅合金等固體材料，熱膨脹系數(shù)和彈性模量的經(jīng)驗關(guān)系為Eα2.3=4.5。Barker[27]研究表明：Eα2=1.5×10-3N·cm-2·K-2，Barker認為此公式適用于合金、石英、石墨、粒狀材料、水泥、大理石等。以上兩個經(jīng)驗公式均表明當材料彈性模量較大，熱膨脹系數(shù)較小這樣的關(guān)系。

本研究計算表明Y2SiO5彈性模量較Y2Si2O7低，因此可推測Y2SiO5的熱膨脹系數(shù)較Y2Si2O7大。材料熱膨脹行為主要取決于其原子鍵強。本工作深入研究Y2SiO5和Y2Si2O7相對體積隨等靜水壓變化關(guān)系以此驗證兩者晶體材料平均鍵強特征(圖2)。圖2中V0為晶胞在0K，0GPa下的體積，可見在相同壓強下Y2SiO5相對體積減小較Y2Si2O7快，因此推斷Y2SiO5晶胞鍵的平均強度較Y2Si2O7弱。Y2SiO5內(nèi)部原子之間鍵力較弱是Y2SiO5熱膨脹系數(shù)高于Y2Si2O7的本質(zhì)原因，也是體模量、剪切模量和彈性模量等力學性能不同的內(nèi)在機制。

圖2 靜水壓下Y2SiO5和Y2Si2O7相對體積變化Fig.2 Relative volume change of Y2SiO5 and Y2Si2O7 under hydrostatic pressure

根據(jù)Fukuda等[28]及Webster等[29]研究結(jié)果表明高溫相X2-Y2SiO5熱膨脹系數(shù)是高溫相δ-Y2Si2O7的2倍左右，F(xiàn)ukuda和Matsubara研究表明低溫相X1-Y2SiO5是其高溫相X2-Y2SiO5熱膨脹系數(shù)1.64倍左右[30]。根據(jù)文獻[20]，高溫相δ-Y2Si2O7的熱膨脹系數(shù)高于中高溫相γ-Y2Si2O7。因此熱膨脹系數(shù)大小排序為：X1-Y2SiO5> X2-Y2SiO5> δ-Y2Si2O7> γ-Y2Si2O7。本研究依然證明低溫相X1-Y2SiO5的熱膨脹系數(shù)高于中高溫相γ-Y2Si2O7，與彈性模量研究結(jié)果對應關(guān)系一致。

涂層服役過程中，熱膨脹系數(shù)直接關(guān)系到涂層內(nèi)部殘余應力積累。Cf/SiC復合材料熱膨脹系數(shù)(4.3～5.4)×10-6℃-1，抗氧化SiC過渡層在1000～1500℃的熱膨脹系數(shù)是4.0×10-6℃-1，而根據(jù)文獻[14]，X1-Y2SiO5與γ-Y2Si2O7的熱膨脹系數(shù)分別為8.36×10-6，3.90×10-6℃-1。Y2SiO5/Y2Si2O7復相涂層體系研究中，發(fā)現(xiàn)γ-Y2Si2O7具有與SiC過渡層更接近的熱膨脹系數(shù)，因此涂層結(jié)構(gòu)設計中，與SiC過渡層緊密接觸的材料為γ-Y2Si2O7較好，往上Y2SiO5的量可依次增大，Huang等[7]的研究采納的正是這一設計理念。Huang在C/C-SiC表面制備梯度Y4Si3O12/Y2Si2O7/Y2SiO5和Y4Si3O12/Y2Si2O7/Y2SiO5/玻璃高溫抗氧化涂層，取得了較好的實驗效果。

從結(jié)構(gòu)上看，目前長壽命的高溫環(huán)境障礙涂層是有梯度的成分和多層的結(jié)構(gòu)(連續(xù)的梯度涂層、水平層狀材料涂層、中間相層結(jié)構(gòu)涂層、垂直結(jié)構(gòu)材料涂層、3D結(jié)構(gòu)材料涂層)，這樣的涂層可以在更高的溫度和較陡的溫度梯度下工作，取得很好的隔熱性能和抗剝落能力。從材料上講，選擇熱膨脹系數(shù)較小的材料作組元是改善抗熱震性的一個方向。同時，涂層與基體間的熱膨脹系數(shù)匹配也很重要。在選擇涂層材料時，通常都要兼顧這兩個因素。本研究得出的熱膨脹系數(shù)X1-Y2SiO5較γ-Y2Si2O7高，為體系的結(jié)構(gòu)設計提供參考。

3.2.5 殘余應力

涂層服役條件下處于各種應力集中狀態(tài)，應力集中極易產(chǎn)生或者擴展涂層內(nèi)部微裂紋，從而造成涂層失效。影響涂層應力應變?nèi)萑潭戎饕ㄍ繉有蚊病饪茁室约安牧献陨淼膹椥阅Ａ康纫蛩?。其中前兩者取決于涂層制備工藝，而彈性模量取決于材料本身。

在涂層冷熱交替循環(huán)工作過程中，涂層的熱應力與彈性模量關(guān)系可根據(jù)公式(2)計算[31]：

(2)

式中：σ為熱應力；Ec為陶瓷層的彈性模量；αs黏結(jié)層熱膨脹系數(shù)；αc為陶瓷材料熱膨脹系數(shù)；ΔT為熱沖擊或熱循環(huán)時的溫度差；γc為陶瓷層泊松比。

根據(jù)本研究彈性模量E及泊松比γc計算結(jié)果，可將公式(2)改為：

σY2SiO5=185.6(αs-αY2SiO5)ΔT

(3)

σY2Si2O7=200.0(αs-αY2Si2O7)ΔT

(4)

從公式(3)與(4)可推導出σY2SiO5<σY2Si2O7。Y2SiO5涂層在相同服役條件下應力較小，從而涂層的應變和損傷較低，有利于延長涂層使用壽命。Ibégazéne等[32]對HfO2-YSZ涂層進行研究發(fā)現(xiàn)：涂層彈性模量增大導致涂層在強氧化和弱氧化氣氛下壽命均降低，本研究與Ibégazéne研究結(jié)果一致。

涂層殘余應力是其服役中產(chǎn)生失效的關(guān)鍵因素，國內(nèi)外對涂層的殘余應力研究非常重視，但有關(guān)殘余應力理論模型的分析結(jié)果和各種實驗的研究結(jié)果間存在較大差異，其原因既與理論模型有關(guān)，還與涂層中殘余應力隨測試點的位置變化規(guī)律、熱物理參數(shù)的選取、材料微機制和材料制備工藝參數(shù)等多方因素有關(guān)。本研究僅定性給出Y2SiO5作為涂層材料時，在服役過程中其殘余應力較γ-Y2Si2O7更小，為今后研究提供參考。

4 結(jié)論

(1)利用第一性原理方法計算Y2SiO5和Y2Si2O7晶體幾何結(jié)構(gòu)，Y2SiO5和Y2Si2O7晶格常數(shù)值與實驗值符合較好。

(2)低溫相Y2SiO5相比Y2Si2O7彈性模量更低、韌性更好、熱膨脹系數(shù)更大，可推測Y2SiO5涂層的應變?nèi)萑潭容^Y2Si2O7高，Y2SiO5涂層抵抗水淬、熱循環(huán)、外部沖擊、熱腐蝕等過程產(chǎn)生的殘余應力較Y2Si2O7低。

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(本文責編：楊 雪)

First Principle Study of Mechanical Properties of Yttrium Silicates

JIN Lei,CUI Xiang-zhong,WANG Chun,ZHOU Guo-dong, JIANG Chun-zhu,LI Qi-lian,YANG Jing

(Science and Technology on Power Beam Process Laboratory,Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute,Beijing 100024,China)

In order to investigate mechanical properties of Y2SiO5and Y2Si2O7yttrium silicates coatings on Cf/SiC composites and design thermal environment barrier coatings, first-principles calculations were performed to investigate electronic and mechanical properties of X1-Y2SiO5and γ-Y2Si2O7using gradient generalized approximation (GGA) based on first principles. The results indicate that they are both mechanically stable structures. Bulk, shear modulus, Young’s modulus of X1-Y2SiO5and γ-Y2Si2O7are 112GPa, 49GPa, 128GPa, 0.31 and 114GPa, 55GPa, 142GPa, 0.29, respectively. These mechanical properties of X1-Y2SiO5are lower than those of γ-Y2Si2O7. At the same time, toughness, thermal expansion coefficient and residual stress of two ideal crystals were studied. The results show that X1-Y2SiO5has better ductile properties than γ-Y2Si2O7and its thermal expansion coefficient is larger than that of γ-Y2Si2O7and while, the residual stress of Y2SiO5is lower.

Y2SiO5;Y2Si2O7;first principle;mechanical property

10.11868/j.issn.1001-4381.2015.001231

TG174.4

A

1001-4381(2017)07-0048-06

北京航空制造工程研究所基金(201510407)

2015-10-15；

2016-09-19

靳磊(1983-)，男，高級工程師，博士，主要從事熱噴涂涂層制備及第一原理研究，聯(lián)系地址：北京航空制造工程研究所104研究室(100024)，E-mail: yugongyishanjin@126.com