热障涂层应用于燃气轮机、航空发动机等高温部件,需要同时具备高隔热和良好的力学性能。增加涂层的厚度可提高隔热效果,但同时容易积累应力造成涂层失效脱落。孔隙在热喷涂方法制备的热障涂层中较为常见,而封闭的孔隙是热的不良导体,可显著降低热导率,提高隔热性能。较大尺度孔隙的存在,会在一定程度上减小其抵抗变形能力,但同时微小孔隙的存在可在一定程度上缓和热障涂层的应力。因此,本文拟通过在热障涂层中引入纳米至数十微米多尺度分布的孔隙结构,在保证高隔热性能的同时提高其抗变形协调能力,研究多尺寸孔隙结构热障涂层的组织和力学性能的变化。通过陶瓷粉末空心多孔结构的移植和聚乙烯造孔剂的搭配,构建并制备微/纳米多尺度分布的孔隙结构热障涂层。通过扫描电子显微镜和三维X射线扫描技术分析热障涂层中的孔隙结构分布,验证热障涂层孔隙的微/纳米多尺度分布设计。利用Ansys有限元软件,模拟了含微/纳米多尺度孔隙的热障涂层在不同载荷下的纳米压入特性。随载荷增加,弹性模量呈现先增大后降低的情况,硬度值随载荷的增加而减小,与纳米压痕试验结果相比,比较相符。在孔隙模型单元格增加内聚力的基础上,根据Berkovich压头压入过程,模拟了微/纳米尺度孔隙的热障涂层的裂纹萌生和扩展情况。由于孔隙的存在,压头在压入涂层的过程中,随着载荷的加大,超过陶瓷层材料的强度,裂纹萌生,但是由于小尺度孔隙的存在,减少了应力集中现象,将应力分散到各个孔隙中,且由于孔隙数目增多,界面增多,裂纹扩展所需要的能量会在界面处消耗,能量不足以继续扩展,所以裂纹扩展的不多,由于大尺度孔隙是孤立的存在,裂纹扩展的能量慢慢的会被吸收,从而提高其韧性。与断裂韧性试验结果比较吻合。利用纳米压痕方法,研究多尺度孔隙结构热障涂层抵抗变形能力和变形回复特性。研究发现,微纳米孔隙的引入,使得热障涂层陶瓷层在抵抗变形阶段表现出“伪塑性”,在变形恢复阶段出现“伪弹性”,从而增强了微/纳米多尺度热障涂层的抵抗变形和变形恢复能力。与常规等离子喷涂制备的热障涂层相比,纳米/微多尺度孔隙涂层的硬度和模量分别提高了 20.23%和39.16%。通过纳米冲击技术,研究多尺度孔隙热障涂层的变形协调能力。研究发现,微纳米孔隙结构“伪塑性”、“伪弹性”变形的存在,可显著提高微/纳米尺度孔隙的变形协调能力。断裂韧性由常规热喷涂涂层的0.73 MPa·m0.5,提高到1.047 MPa·m0.5,断裂韧性提高30.28%。