[논문 리뷰] From High-Entropy Ceramics to Compositionally-Complex Ceramics: A Case Study of Fluorite Oxides

Andrew Wright, Qingyang Wang외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 12. 26.

High Entropy Alloys Studies참고 문헌 67인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 비등몰비 플루오르라이트 산화물들을 사용하여 고엔트로피 세라믹스를 구성적으로 복잡한 세라믹스(CCCs)로 확장하며, 중등 엔트로피, 비스티오메트릭 조성에서 열전도도가 낮은(약 1.2 W/m·K) 고경성(Young의 모odulus 약 210 GPa) 및 나노경도(약 18 GPa)를 유지함으로써 등몰비 고엔트로피 세라믹스보다 E/k 비율에서 뛰어나며, 고온 응용을 위한 열적 절연성과 높은 경성의 세라믹스를 실현한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 등몰비 조성 이외의 조성으로 고엔트로피 세라믹스 개념을 확장하여 중등 엔트로피 및 비등몰비 시스템을 포함시키는 것.
• 구성적으로 복잡한 플루오르라이트 산화물(CCFOS)에서 상 안정성, 기계적 성질 및 열전도도를 조사하는 것.
• 비등몰비 조성이 기계적 경성을 희생하지 않고도 열적 절연성을 향상시킬 수 있는지 규명하는 것.
• 기존 고엔트로피 세라믹스보다 향상된 E/k 비율을 갖는 CCFOs가 고급 열차단 재료로 가능성이 있는지 평가하는 것.
• 온도 변화에 따른 비등몰비 CCFOs에서 비정질 유사 열거동의 발생 여부를 탐색하는 것.

제안 방법

• 공식 (Hf1/3Zr1/3Ce1/3)1−x(Y1/2X1/2)xO2−δ를 가진 9종의 CCFO 조성을 합성하였으며, X = Yb, Ca, 또는 Gd이며, x = 0.4, 0.148, 또는 0.058이다.
• 고체상 반응 및 고체 용액 기법을 활용하여 이온 분포를 제어한 다결정 샘플을 제조하였다.
• X선 회절(XRD)을 통해 상 안정성 및 입방 플루오르라이트 구조 유지 여부를 평가하였다.
• 나노인덴테이션을 이용해 영향력 모odulus와 나노경도를 측정하여 기계적 성질을 분석하였다.
• 레이저 플래시 방법을 통해 온도 범위에 걸쳐 열전도도를 정량화하고 온도 의존적 거동을 분석하였다.
• 결과를 등몰비 고엔트로피 세라믹스 및 기준으로 삼는 이트리아-스테이빌라이즈드 지르코니아(YSZ)와 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비등몰비, 중등 엔트로피 플루오르라이트 산화물은 열전도도를 낮추면서도 입방 상 안정성을 유지할 수 있는가?
• RQ2 등몰비에서의 조성 이탈이 영향력 모odulus 및 나노경도와 같은 기계적 성질에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ3 비등몰비 CCFOs의 열전도도는 비정질 유사 온도 의존성을 나타내는가?
• RQ4 비등몰비 CCFOs의 E/k 비율은 등몰비 고엔트로피 세라믹스 및 YSZ와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ5 비등몰비 조성이 기계적 경성을 손상시키지 않고 열절연성을 얼마나 향상시키는가?

주요 결과

• 비등몰비 CCFOs는 이트리아-스테이빌라이즈드 지르코니아(YSZ)보다 향상된 입방 상 안정성을 보였으며, XRD로 부가 상이 존재하지 않음을 확인하였다.
• CCFOs는 등몰비 고엔트로피 세라믹스와 유사하거나 이를 초월하는 고경성(~210 GPa) 및 고나노경도(~18 GPa)를 유지하였다.
• 비등몰비 CCFOs의 열전도도는 실온에서 약 1.2 W/m·K로 감소하여 YSZ 및 등몰비 고엔트로피 세라믹스보다 유의미하게 낮았다.
• 비등몰비 CCFOs의 온도 의존적 열전도도는 비정질 유사 거동을 나타내어 강한 포논 산산각산이 발생했음을 시사하였다.
• 중등 엔트로피 비등몰비 CCFOs의 E/k 비율은 등몰비 고엔트로피 세라믹스를 초월하여 열절연성과 고경성을 동시에 확보함을 의미한다.
• 최저 열전도도는 x = 0.4 조성(Yb 도핑)에서 관찰되었으며, 이는 연구된 시스템 중에서 낮은 k와 높은 E의 최적 균형을 이룬 것으로 나타났다.