随着材料科学与人工智能的不断交叉和深度融合，材料智能设计和制造正引领材料科学的未来方向，成为制造业转型升级和新质生产力的全新动力来源。其中，新的跨尺度建模和算法开发是关键问题之一。昆明理工大学材料科学与工程学院金属先进凝固成形及装备技术国家地方联合工程研究中心种晓宇教授和冯晶教授等人开发了耦合第一性原理计算、材料热力学、多场耦合有限元模拟和机器学习的跨尺度模型，初步构建了一个多尺度集成计算+机器学习的可拓展性框架，可以用来评价和调控涂层或薄膜体系在制备和服役过程中的热应力，取得了系列阶段性研究成果。

（1）建立和应用跨尺度热应力模型，对低应力的稀土钽酸盐热障涂层体系进行逆向设计，成功找到低热应力相关特征。相关研究成果以“Unveiling thermal stresses in RETaO4 (RE = Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho and Er) by first-principles calculations and finite element simulations”为题，发表在国际顶级学术期刊Acta Materialia上。

图1：耦合第一性原理计算、有限元模拟和机器学习的跨尺度热应力评估模型

（2）更进一步的，将材料的热力学相变考虑到跨尺度热应力评价模型中，成功预测升温/降温循环过程中稀土钽酸盐热障涂层体系的热应力分布及其演变。结果表明，相变会引起热应力的突变，这主要是由于相变前后杨氏模量和热导率突变导致的。相关研究成果以“Capturing and visualizing the phase transition mediated thermal stress of thermal barrier coating materials via a cross-scale integrated computational approach”为题，发表在国际顶级学术期刊Journal of Advanced Ceramics上。

图2：考虑多层结构体系相变的跨尺度热应力评估模型

（3）优异的隔热性能是热障涂层低热应力和稳定、长时服役的关键，但稀土钽酸盐低热导率的起源之前尚不清晰。通过第一性原理结合玻尔兹曼输运方程求解，揭示了稀土钽酸盐低热导率的机制：低的声学支截止频率和强的声光学支抗交叉导致稀土钽酸盐的强非谐效应和大的散射率。最后筛选出两个低热导率的特征：大的多面体畸变程度和小的拉伸力常数。相关研究成果以“Understanding the ultralow lattice thermal conductivity of monoclinic RETaO4 from acoustic-optical phonon anti-crossing property and a comparison with ZrO2”为题，发表在国际顶级学术期刊Journal of the American Ceramic Society上，并入选ESI高被引论文。

图3：稀土钽酸盐低热导率的本征机制

上述工作的第一作者为昆明理工大学材料科学与工程学院干梦迪博士，种晓宇教授、冯晶教授为通讯作者。得到了云南省稀贵金属材料基因工程专项、国家重点研发计划课题和国家部委基础加强项目的支持。该工作提出的跨尺度模拟方法耦合热物性、相变和宏观结构，为预测多层体系的应力提供了有效的途径，同时可进行低应力热障涂层体系逆向设计和逆向选材，对推进材料多尺度集成计算的工程应用具有一定的参考意义。

（供稿：材料学院）