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中国科学院金属研究所罗颐秀、孙鲁超/辽宁材料实验室王京阳等：机器学习解锁β/γ型高熵稀土双硅酸盐组分的定量设计判据精选

已有 7203 次阅读 2026-10-8 08:41 |个人分类:JAC|系统分类:论文交流

原文出自Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊

Cite this article:

Luo Y, Gao X, Wang Z, et al. Machine learning empowered compositional design of multiple rare-earth principal component disilicates. Journal of Advanced Ceramics, 2026, https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221385

文章DOI：10.26599/JAC.2026.9221385

ResearchGate：Machine learning empowered compositional design of multiple rare-earth principal component disilicates

一、导读

环境障涂层（EBCs）是大推力航空发动机的关键防护涂层，能够抵挡高温燃气与腐蚀介质的侵蚀，为碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料（SiC_f/SiC CMC）热端部件提供有效防护。稀土双硅酸盐（RE₂Si₂O₇）因与SiC_f/SiC CMC热膨胀系数匹配良好、化学相容性优异，是目前最先进的环境障涂层体系。然而，传统单稀土主元RE₂Si₂O₇涂层的高温耐蚀性能已难以满足下一代航空发动机的服役要求，亟需发展新的涂层组分设计策略以突破这一瓶颈。围绕特定服役性能目标，借助多稀土主元（高熵化）设计理念，快速锁定能够形成目标相结构（β和γ型）的多稀土组合，实现多元稀土双硅酸盐（(nRE_xi)₂Si₂O₇）涂层化学组分精准定制与热物性、耐蚀性等性能优化，已经成为环境障涂层新体系研究的前沿热点。

本文融合机器学习、高通量第一性原理计算与实验验证，构建了面向EBCs设计的任务导向型机器学习框架，通过在训练集中纳入单相/分相与等摩尔/非等摩尔组分、妥善处理类不平衡问题、并在类不平衡特征与训练集相反的独立验证集上严格评估，使模型兼具高预测精度与泛化能力以及在靠近分相决策边界区域的分辨能力。据此识别出平均稀土离子半径（）和半径偏差（）是 (nRE_xi)₂Si₂O₇材料相组成的最关键影响因素，建立了二者耦合的定量设计判据。结合统计热力学理论揭示了单相(nRE_xi)₂Si₂O₇材料的形成与无序构型的低能量涨落密切相关，表现为混合熵随激发能快速收敛。相关研究成果为新一代高性能EBCs候选材料的快速筛选和靶向设计提供了直接、简洁的组分设计模板。

二、文章亮点

（1）基于114种(nRE_xi)₂Si₂O₇材料的相组成数据，结合SMOTE技术构建了高精度随机森林分类模型，可准确区分单一β相、单一γ相、单一δ相或δ+γ混合相、以及分相四类，在(Gd_x1Ho_x2Yb_x3Lu_x4)₂Si₂O₇和(Nd_x1Ho_x2Yb_x3Lu_x4)₂Si₂O₇体系中得到实验验证，并在87种未参与训练的独立实验验证集上取得96.55%的预测准确率，展现出优异的泛化能力。

（2）确定(nRE_xi)₂Si₂O₇材料相组成核心描述符（-）的定量耦合设计判据：单一β相需满足 < 0.885 Å；单一γ相需满足0.885 Å < < 0.900 Å；同时须足够小，其上限随单调增大，在β|γ和β|δ相边界达到 ~ 0.04，并在β|γ相边界处出现不连续跳变。该判据普适于等摩尔/非等摩尔、单稀土主元/多稀土主元(nRE_xi)₂Si₂O₇材料体系。

（3）研究结果为与SiC_f/SiC CMC热膨胀适配的(nRE_xi)₂Si₂O₇ EBCs候选材料的组分精准定制和宏观性能靶向优化提供了快速有效的模型方法。

三、作者及研究团队简介

罗颐秀（第一作者），中国科学院金属研究所项目研究员。从事多尺度模拟与人工智能驱动的极端环境结构陶瓷与防护涂层研发。

孙鲁超（通讯作者），中国科学院金属研究所研究员。从事航空发动机和燃气轮机等关键能源动力装备用防护涂层开发研究。

王京阳（通讯作者），辽宁材料实验室副主任，燃氢防护技术研究所所长，《先进陶瓷（英文）》期刊编委。从事极端环境用结构陶瓷、复合材料及高温防护涂层的基础研究和工程应用。

《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介

《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社有限公司出版，清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为中国科学院院士、清华大学林元华教授、苏州国家实验室周延春教授、广东工业大学林华泰教授和哈尔滨工业大学张幸红教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD、WJCI等数据库收录。现为月刊，2025年发文量为202篇；2026年6月发布的SCI影响因子为14，连续6年位列Web of Science核心合集“材料科学，陶瓷”学科34种同类期刊第1名；2026年2月发布的WJCI影响因子为15.350，位列“陶瓷学”26种同类期刊第1名；2024年11月入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目；2026年入选北京市支持高水平国际科技期刊建设（强刊提升）项目。2023年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社有限公司自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台SciOpen独家发布，标志着该刊结束多年来“借船出海”的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。