[论文解读] 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 7

一句话总结

本研究通过非等摩尔萤石氧化物，将高熵陶瓷拓展至成分复杂陶瓷（CCCs），证明中等熵、非化学计量的组成可实现较低的热导率（约1.2 W/m·K），同时保持高刚度（杨氏模量约210 GPa）和纳米硬度（约18 GPa），在E/k比值方面优于等摩尔高熵陶瓷，实现了热绝缘性与高刚度兼具的陶瓷材料，适用于高温应用。

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.

研究动机与目标

• 将高熵陶瓷概念从等摩尔组成扩展至中等熵和非等摩尔体系。
• 研究成分复杂萤石氧化物（CCFOs）的相稳定性、力学性能和热导率。
• 确定非等摩尔组成是否可在不牺牲机械刚度的前提下实现更优的热绝缘性能。
• 评估CCFOs作为先进热障材料的潜力，其E/k比值相较于传统高熵陶瓷更具优势。
• 探索非等摩尔CCFOs在温度变化下出现类非晶态热行为的机制。

提出的方法

• 合成九种CCFO组成，化学式为(Hf1/3Zr1/3Ce1/3)1−x(Y1/2X1/2)xO2−δ，其中X = Yb、Ca或Gd，x = 0.4、0.148或0.058。
• 采用固相反应和固溶体技术制备具有可控阳离子分布的多晶样品。
• 通过X射线衍射（XRD）评估相稳定性和立方萤石结构的保持情况。
• 利用纳米压痕法测量力学性能，测定杨氏模量和纳米硬度。
• 采用激光闪光法测量热导率，覆盖一定温度范围，分析温度依赖性行为。
• 将结果与等摩尔高熵陶瓷及氧化钇稳定氧化锆（YSZ）进行对比，作为基准。

实验结果

研究问题

• RQ1 非等摩尔、中等熵萤石氧化物能否在降低热导率的同时保持立方相稳定性？
• RQ2 偏离化学计量比的成分变化如何影响力学性能，如杨氏模量和纳米硬度？
• RQ3 非等摩尔CCFOs的热导率是否表现出类非晶态的温度依赖性？
• RQ4 非等摩尔CCFOs的E/k比值与等摩尔高熵陶瓷及YSZ相比如何？
• RQ5 非等摩尔组成在多大程度上提升了热绝缘性能，同时不损害材料刚度？

主要发现

• 非等摩尔CCFOs的立方相稳定性优于氧化钇稳定氧化锆（YSZ），XRD未检测到第二相。
• CCFOs保持了高杨氏模量（约210 GPa）和高纳米硬度（约18 GPa），与等摩尔高熵陶瓷相当或更优。
• 非等摩尔CCFOs的热导率在室温下降低至约1.2 W/m·K，显著低于YSZ和等摩尔高熵陶瓷。
• 非等摩尔CCFOs的温度依赖性热导率表现出类非晶态行为，表明存在强烈的声子散射。
• 中等熵、非等摩尔CCFOs的E/k比值超过等摩尔高熵陶瓷，表明其兼具优异热绝缘性与高刚度。
• 热导率最低的组分为x = 0.4（Yb掺杂），在所研究体系中实现了最低k与最高E的最佳平衡。