热障涂层(TBCs)是由隔热性好的表面陶瓷层以及金属粘结层构成的金属陶瓷复合涂层,常用作燃气涡轮发动机热端部件的保护涂层,不仅可以使其免受高温氧化,磨损及腐蚀,而且还可以进一步提高其工作温度和效率。随着航空航天,火力发电和船舶等工业领域的不断发展,热端部件的使用温度要求越来越高,已达到镍基单晶高温合金的极限状况。为了保护金属基底能够在安全温度范围内工作,通常采用具有隔热作用的热障涂层,因此,其有效应用是保障航空发动机和燃气轮机能够在高温工况下长期稳定运行的关键因素,而导热系数是衡量热障涂层隔热性能的关键指标,所以研究热障涂层的导热系数具有重要意义。由于热障涂层中存在复杂的孔隙、裂纹等微观结构,不可能仅仅用简单的分析模型得出其等效导热系数,而且当晶粒直径降低到纳米尺度时,尺度效应以及声子界面散射效应十分明显,因此建立实际微观结构与导热系数之间的关系十分重要。本文通过扫描电子显微镜(SEM)的扫描图像研究了热障涂层的微观结构特征,包括孔隙率,孔隙大小以及孔隙形状等参数,然后通过随机孔隙生成算法QSGS重构孔隙结构,并结合格子玻尔兹曼方法(LBM)算法研究了不同孔隙结构对于导热系数的影响。为了更准确地还原热障涂层真实的孔隙结构,对SEM图像进行二值化处理,从而模拟得到更准确的导热系数。本文不仅研究了传统热障涂层和梯度热障涂层中孔隙结构对导热系数的影响,还重点研究了存在纳米氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)结构时对于热障涂层导热系数的影响。通过求解声子玻尔兹曼传输方程,研究了纳米结构的尺寸效应以及声子界面散射对于导热系数的影响,从而获得了与实验值较吻合的模拟结果。本文对传统热障涂层,梯度热障涂层和纳米YSZ热障涂层的导热系数进行了全面深入的研究,对热障涂层的隔热性能研究和优化设计有很大的价值。