[論文レビュー] From High-Entropy Ceramics to Compositionally-Complex Ceramics: A Case Study of Fluorite Oxides

Andrew Wright, Qingyang Wang+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 26, 2019

High Entropy Alloys Studies参考文献 67被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、非等モルの fluorite 氧化物を用いて、高エントロピーセラミックスを組成的に複雑なセラミックス（CCCs）へと拡張し、中エントロピーで非化学计量な組成が、~1.2 W/m·K の低い熱伝導率を達成しながらも高い剛性（縦弾性係数 ~210 GPa）とナノ硬度（~18 GPa）を維持できることを示した。これは、等モルの高エントロピー対応物よりも E/k 穏度が優れており、高温用途に適した熱的絶縁性で剛性のあるセラミックスの実現に寄与する。

ABSTRACT

Using fluorite oxides as an example, this study broadens high-entropy ceramics (HECs) to compositionally-complex ceramics (CCCs) or multi-principal cation ceramics (MPCCs) to include medium-entropy and/or non-equimolar compositions. Nine compositions of compositionally-complex fluorite oxides (CCFOs) with the general formula of (Hf1/3Zr1/3Ce1/3)1-x(Y1/2X1/2)xO2-delta (X = Yb, Ca, and Gd; x = 0.4, 0.148, and 0.058) are fabricated. The phase stability, mechanical properties, and thermal conductivities are measured. Compared with yttria-stabilized zirconia, these CCFOs exhibit increased cubic phase stability and reduced thermal conductivity, while retaining high Young's modulus (~210 GPa) and nanohardness (~18 GPa). Moreover, the temperature-dependent thermal conductivity in the non-equimolar CCFOs shows an amorphous-like behavior. In comparison with their equimolar high-entropy counterparts, the medium-entropy non-equimolar CCFOs exhibit even lower thermal conductivity (k) while maintaining high modulus (E), thereby achieving higher E/k ratios. These results suggest a new direction to achieve thermally-insulative yet stiff CCCs (MPCCs) via exploring non-equimolar and/or medium-entropy compositions.

研究の動機と目的

• 等モル組成を超えた中エントロピーおよび非等モル系への高エントロピーセラミックスの概念の拡張を目的とする。
• 組成的に複雑な fluorite 氧化物（CCFOs）における相安定性、機械的性質、熱伝導率の調査を目的とする。
• 非等モル組成が機械的剛性を犠牲にすることなく、優れた熱絶縁性を達成できるかどうかを検証することを目的とする。
• 従来の高エントロピーセラミックスと比較して、向上した E/k 穏度を示す CCFO が高度な熱絶縁材料としての可能性を評価することを目的とする。
• 温度変化下における非等モル CCFO で見られるアモルファス的挙動の出現を探索することを目的とする。

提案手法

• 式 (Hf1/3Zr1/3Ce1/3)1−x(Y1/2X1/2)xO2−δ に従い、X = Yb, Ca, または Gd で x = 0.4, 0.148, または 0.058 の9種類の CCFO 組成を合成した。
• 固体反応法および固溶体法を用いて、イオン分布を制御した多結晶試料を調製した。
• X線回折（XRD）を用いて相安定性および立方晶 fluorite 構造の保持を評価した。
• ナノインデンテーションを用いて縦弾性係数およびナノ硬度を測定し、機械的性質を決定した。
• レーザーフラッシュ法を用いて、温度範囲にわたる熱伝導率を定量し、温度依存的挙動を分析した。
• 等モル高エントロピーセラミックスおよびジルコニア酸土素安定化ジルコニア（YSZ）をベンチマークとして、結果を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非等モルで中エントロピーの fluorite 氧化物は、熱伝導率を低下させながらも立方晶相安定性を維持できるか？
• RQ2 等モルからの組成的偏りが、縦弾性係数やナノ硬度といった機械的性質にどのように影響するか？
• RQ3 非等モル CCFO の熱伝導率は、アモルファス的温度依存性を示すか？
• RQ4 非等モル CCFO の E/k 穏度は、等モル高エントロピーセラミックスおよび YSZ と比較してどの程度か？
• RQ5 非等モル組成は、剛性を損なうことなく、熱絶縁性をどの程度向上させるか？

主な発見

• 非等モル CCFO は、ジルコニア酸土素安定化ジルコニア（YSZ）と比較して、より高い立方晶相安定性を示し、XRD による分析で二次相の検出がなかった。
• CCFO は、等モル高エントロピーセラミックスと同等またはそれ以上の高剛性（縦弾性係数 ~210 GPa）およびナノ硬度（~18 GPa）を維持した。
• 非等モル CCFO の熱伝導率は、室温で ~1.2 W/m·K まで低下し、YSZ や等モル高エントロピー対応物と比較して顕著に低減した。
• 非等モル CCFO の温度依存的熱伝導率は、強いフォノン散乱を示すアモルファス的挙動を示した。
• 中エントロピーで非等モルの CCFO の E/k 穏度は、等モル高エントロピーセラミックスを上回り、優れた熱絶縁性と高剛性を併せ持つことを示した。
• 最も低い熱伝導率は x = 0.4 組成（Ybドープ）で観察され、低 k と高 E の両方を最良のバランスで達成した。