随着高性能燃气轮机的研发,高压涡轮进口温度不断提高,这给燃烧室,叶片和尾喷管等热端部件带来了更为严苛的服役环境,普通高温金属合金已经很难满足使用要求。近年来热障涂层得到了广泛的应用,目前应用最为广泛氧化钇稳定氧化锆（YSZ）热障涂层陶瓷材料由于在高温下存在温度相变、烧结加速、高温辐射传热和熔盐腐蚀等问题,其进一步应用受到限制。本文针对现役热障涂层材料服役过程中出现的温度相变、辐射传热和热膨胀系数不匹配等主要问题展开研究,具体研究内容有:通过固相反应法制备了化学组成为Ln₃NbO₇（Ln为稀土元素）稀土铌酸盐热障涂层陶瓷材料。热物理性能分析表明,稀土铌酸盐致密块体陶瓷材料本征热导率相比YSZ材料有大幅降低。根据分子动力学模拟结果,缺陷和氧空位造成声子谱中声学支斜率的降低,Umklapp散射率高,从而降低材料的热导率。研究还表明,稀土铌酸盐材料具有优异的阻氧能力和化学稳定性,其中萤石晶体结构的稀土铌酸盐材料从室温至1600°C保持相稳定性,是具有潜力的高温热障涂层候选材料。以稀土锆酸盐为对象研究高温辐射传热的问题。利用激光闪射法在测量热扩散系数过程中的不同计算模型的物理含义区别,得到了样品辐射传热具体数值,初步讨论了辐射传热与晶体结构的相关性。为降低辐射传热,设计制备了高质量的La₂Zr₂O₇/LaPO₄复相陶瓷材料,通过对第二相LaPO₄的含量和晶粒尺寸控制,实现了对辐射传热的有效散射和吸收,大幅降低辐射透过传热。利用稀土锡酸盐对辐射传热的本征有效屏蔽特性,设计制备了（La₂Zr₂O₇）_1-x（Yb₂Sn₂O₇）_x四元焦绿石成分固溶体,在合理的x参数下,在实现了辐射传热和声子传热的双向抑制,使固溶体在整个测试温度范围内都具有极低热导率,进一步增加了涂层材料的隔热能力。针对巨大应用前景的稀土锆酸盐热膨胀系数偏低的问题,通过Ce⁴⁺的离子半径相对较大和Ce-O键键能较弱的特点设计制备了Yb₂(Zr_1-x-x Ce_x)₂O₇成分固溶体来提高稀土锆酸盐热膨胀系数。研究结果表明固溶体随Ce⁴⁺的离子含量的增加热膨胀系数显著增加,且在Ce⁴⁺的离子含量较低时,固溶缺陷导致材料的热导率也随之进一步降低。