一种新型高损伤容限层状钙钛矿材料的高通量筛选方法

本发明涉及结构陶瓷领域，特别是涉及一种新型高损伤容限层状钙钛矿材料的高通量筛选方法。

背景技术：

1、航空航天领域的不断发展对空天飞行器热端部件的耐热性能提出了更高的要求，包括简单钙钛矿型氧化物在内的许多陶瓷材料由于优异的高温性能被广泛应用，但其本身的脆性、低损伤容限和裂纹敏感等固有特性使其在高温下容易出现强度失效，成为其工程应用的主要挑战。因此发掘具有高韧性和高损伤容限性质的高温陶瓷材料迫在眉睫。目前研究较多的高损伤容限陶瓷具有强弱化学键交替排列的结构特点，原子间的弱结合关系在陶瓷材料的增韧机制中扮演重要角色。

2、层状钙钛矿作为简单钙钛矿的衍生材料体系，一般由钙钛矿单元与其它层状单元沿特定方向堆叠组成，层间由相对弱的共价键或范德华力连接，这种独特的晶体结构和键合关系使其拥有简单钙钛矿优异的高温稳定特性和元素组成丰富的，同时也具有高损伤容限和高断裂韧性的巨大潜力。

3、但截至目前，对于层状钙钛矿的研究主要集中在单个材料或体系上，且较少关注其力学性能，对其力学性能缺乏整体的了解。而传统实验的“试错”研究方法耗时周期长、效率低下、成本高、研究对象单一。

技术实现思路

1、本发明目的是针对背景技术中存在的问题，提出一种新型高损伤容限层状钙钛矿材料的高通量筛选方法，通过高通量计算方法快速掌握层状材料的力学性能，并根据力学稳定性和损伤容限判据获得符合要求的材料，同时能够揭示层状材料的各向异性特性，减少传统试错法所需的时间和资源消耗。

2、本发明的技术方案，一种新型高损伤容限层状钙钛矿材料的高通量筛选方法，包括：

3、s1、确定材料的空间群和成分范围，在晶体学公开数据库中进行自动检索，获得符合要求的结构文件，比如可在国际晶体学数据库中进行检索，以获取初始结构数据；

4、s2、计算获得各性能参数，包括以下步骤s21-s24：

5、s21、对所有材料进行结构优化，得到稳态晶体结构；

6、s22、计算所得稳态结构的弹性常数cij，其中i，j＝1～6；

7、s23、使用杂化泛函hse06进行带隙eg的高通量计算；

8、s24、进行扩胞后，计算所有材料的原子间力常数；

9、s3、筛选材料，包括以下步骤s31-s33：

10、s31、筛选结构稳定性材料，使用born-huang(玻恩-黄坤)稳定性判据，当材料满足条件：c11＞|c12|，2c13·c13＜c33(c11+c12)，c44＞0，c66＞0时，认为其具有良好的力学稳定性；筛选动力学稳定性材料，根据原子间力常数结果，筛选声子谱没有虚频的材料；

11、s32、根据s2的数据进一步计算弹性模量和pugh’s比g/b，其中，g为剪切模量，b为体积模量，使用g/b＜0.571筛选高损伤容限材料；

12、s33、使用带隙eg＞1ev去除高电子热导率的材料，获得适用于高温环境下的具有较低热导率的高损伤容限钙钛矿材料；

13、s4、分析材料的各向异性，包括以下步骤s41-s42：

14、s41、计算材料不同方向的拉伸强度和剪切强度，获知材料的力学各向异性，定义拉伸强度各向异性指数at＝σ[100]/σ[001]；

15、s42、求解线性玻尔兹曼方程，预测不同方向上的热导率κx和κz，获知材料的热学各向异性，定义热导率各向异性指数aκ＝κx/κz。

16、优选地，步骤s22中，对材料施加六种应变步长，通过拟合应力-应变曲线得到材料的二阶弹性常数cij，其中i，j＝1～6，最大应变为0.6％。

17、优选地，步骤s2中，采用第一性原理计算软件包进行计算，使用gga-pbesol描述交换关联泛函，截断能500ev，k点密度设置为小于能量和力收敛标分别为和10-6ev/atom，gga(generalized gradient approximation，广义梯度近似)是一种密度泛函理论中的近似方法，pbesol泛函是一种用于密度泛函理论(dft)的计算方法，它是广义梯度近似(gga)的一种，专门设计用于描述固体材料中的电子结构和性质。

18、优选地，步骤s24中，使用phonopy软件包计算材料的原子间力常数，获得声子谱，phonopy是一个用于计算声子模式和声子密度的开源软件包。

19、优选地，步骤s3中，通过voigt-reuss-hill近似获得剪切模量g、体积模量b和pugh’s比g/b，voigt-reuss-hill近似是一种用于估算材料弹性模量的方法，特别是在第一性原理计算中，这种方法基于对材料弹性行为的两种极端假设，即voigt假设和reuss假设，并通过取两者的平均值来得到一个更准确的估计值。

20、优选地，步骤s41中，在[100]和[001]施加单轴拉伸应变，在(100)[010]和(001)[010]方向施加剪切应变计算理论强度，晶格矢量在施加应变的方向上逐渐变形，每一步结构都被弛豫，直到施加应变产生的应力消失。

21、优选地，步骤s42中，扩胞后计算三阶力常数，使用shengbte软件包求解线性玻尔兹曼方程，shengbte软件包是一个用于模拟和理解固体中声子输运的软件工具，它基于boltzmann运动方程，专门用于计算和分析材料的声子散射与热导率。

22、与现有技术相比，本发明具有如下有益的技术效果：

23、1、本发明采用第一性原理计算方法，仅根据材料的晶体结构，从基本物理定律出发来预测材料力学性能，无需实验操作，流程简单易于实现，耗时周期短、效率高、成本低；

24、2、本发明通过批量计算获得层状材料的力学性能，显著提高材料筛选的效率，减少传统试错法所需的时间和资源消耗，综合考虑其稳定性和损伤容限性质，加快了层状高损伤容限钙钛矿材料的发现和开发进程；

25、3、本发明进一步研究了高损伤容限钙钛矿材料的各向异性，为实验中晶体或涂层生长的取向提供理论指导，有助于发掘潜在的的层状高损伤容限材料，以制备性能更优异的材料。

技术特征：

1.一种新型高损伤容限层状钙钛矿材料的高通量筛选方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种新型高损伤容限层状钙钛矿材料的高通量筛选方法，其特征在于，步骤s22中，对材料施加六种应变步长，通过拟合应力-应变曲线得到材料的二阶弹性常数cij，其中i，j＝1～6，最大应变为0.6％。

3.根据权利要求2所述的一种新型高损伤容限层状钙钛矿材料的高通量筛选方法，其特征在于，步骤s2中，采用第一性原理计算软件包进行计算，使用gga-pbesol描述交换关联泛函，截断能500ev，k点密度设置为小于能量和力收敛标分别为和10-6ev/atom。

4.根据权利要求3所述的一种新型高损伤容限层状钙钛矿材料的高通量筛选方法，其特征在于，步骤s24中，使用phonopy软件包计算材料的原子间力常数，获得声子谱。

5.根据权利要求1所述的一种新型高损伤容限层状钙钛矿材料的高通量筛选方法，其特征在于，步骤s3中，通过voigt-reuss-hill近似获得剪切模量g、体积模量b和pugh’s比g/b。

6.根据权利要求1所述的一种新型高损伤容限层状钙钛矿材料的高通量筛选方法，其特征在于，步骤s41中，在[1 0 0]和[0 0 1]施加单轴拉伸应变，在(1 0 0)[0 1 0]和(0 01)[0 1 0]方向施加剪切应变计算理论强度，晶格矢量在施加应变的方向上逐渐变形，每一步结构都被弛豫，直到施加应变产生的应力消失。

7.根据权利要求6所述的一种新型高损伤容限层状钙钛矿材料的高通量筛选方法，其特征在于，步骤s42中，扩胞后计算三阶力常数，使用shengbte软件包求解线性玻尔兹曼方程。

技术总结本发明涉及结构陶瓷领域，具体为一种新型高损伤容限层状钙钛矿材料的高通量筛选方法。其包括：S1、确定材料的空间群和成分范围，在晶体学公开数据库中进行自动检索，获得符合要求的结构文件；S2、计算获得弹性常数c<subgt;ij</subgt;，进行带隙E<subgt;g</subgt;的高通量计算；进行扩胞后，计算所有材料的原子间力常数；S3、筛选材料；S4、分析材料的各向异性，定义热导率各向异性指数A<subgt;κ</subgt;＝κ<subgt;x</subgt;/κ<subgt;z</subgt;。本发明通过高通量计算方法快速掌握层状材料的力学性能，并根据力学稳定性和损伤容限判据获得符合要求的材料，同时能够揭示层状材料的各向异性特性，减少传统试错法所需的时间和资源消耗。技术研发人员：周辉,李亦然受保护的技术使用者：上海大学技术研发日：技术公布日：2024/12/2