《Ceramics International》：Thermal and mechanical properties of double perovskite-type Ba
2YNbO
6 ceramic
编辑推荐：
Ba2YNbO6的热物性及机械性能研究显示其具有低热导率（1.9 W/m·K）和适中的热膨胀系数（9.6×10?6 K?1），结合良好的机械强度（弹性模量217 GPa，硬度7.18 GPa），可作为热障涂层材料。
S.F. Solodovnikov | M. Zeraati | A.B. Kuznetsov | E.S. Zolotova | A.R. Nasyrbaev | I.P. Gulyaev | I.K. Igumenov | R.A. Shutilov | E.A. Maksimovsky | D.P. Pishchur | V.N. Yudin | V.V. Lukashov | I.V. Korolkov | A.P. Maltsev | A.R. Oganov
俄罗斯科学院尼古拉耶夫无机化学研究所，Lavrentyev大道3号，新西伯利亚630090
摘要
通过结合先进的理论计算和实验测量，研究了双钙钛矿Ba2YNbO6（BYNO）的相稳定性、热性能和机械性能，以评估其作为热障涂层（TBC）顶涂材料的潜力。使用大规模分子动力学模拟和机器学习原子间势进行理论计算，发现BYNO具有低热导率和低热膨胀系数（TEC）的有利组合。实验上，BYNO粉末通过1100?1500°C下的逐步固态反应制备，然后在1700°C下进行火花等离子烧结（SPS）。测得的弹性模量、维氏纳米硬度、线性TEC和热导率与我们的计算结果吻合良好。分子动力学（MD）模拟和差示扫描量热法（DSC）均证实BYNO在接近–10°C时发生四方相到立方相的转变。然而，BYNO的晶格参数和TEC在低温下的变化较小，这可能是由于转变过程中结构和晶胞体积的微小变化所致。在1000°C时，BYNO的热导率为约1.9 W/(m?K)，线性TEC为约9.6×10–6 K–1，略低于常用的氧化钇稳定氧化锆（YSZ）。结合其良好的机械性能——杨氏模量为217 ± 15 GPa，维氏硬度为7.18 ± 0.96 GPa——这些特性表明BYNO可能是TBC应用的潜在候选材料。
引言
热障涂层（TBC）广泛用于保护飞机发动机和燃气轮机中的高温金属部件，提高其运行效率。典型的TBC系统由抗氧化的粘结层合金和隔热、耐腐蚀的陶瓷顶涂层组成。目前顶涂层的标准材料是氧化钇稳定氧化锆（YSZ），即掺杂了6–8 wt% Y2O3的ZrO2。YSZ在1000°C时的热导率相对较低（约2 W/(m?K），且线性热膨胀系数（TEC）较高（11×10–6 K–1）[1]，[2]。YSZ的主要缺点是在1200°C以上相不稳定、烧结性能差以及氧扩散率高，这些限制了其工作温度和热循环次数[3]，[4]。因此，需要寻找具有更高热稳定性、相稳定性、化学稳定性和机械稳定性、更低热导率、与涡轮叶片合金相匹配的适度TEC以及在工作温度下低氧扩散率的更先进的TBC材料[1]，[2]，[3]，[4]。在过去二十年里，许多耐火氧化物如氟化物（Ce, RE)O2-x、HfO2–Y2O3、焦绿石RE2Zr2O7、石榴石RE3Al5O12、Y3AlxFe5–xO12、独居石型REPO4、磁铅矿CaAl12O19、LaMgAl11O19、Fergusonite型RETaO4、RENbO4等被研究作为YSZ的潜在替代品[1]，[2]，[3]，[4]，[5]。
钙钛矿ABO3也因其高熔点、低杨氏模量、低烧结速率[2]以及通过A和/或B位点的同构替代丰富地修改其结构、组成和性能的机会而被认为是TBC应用中最有前景的氧化物之一。早期对钙钛矿作为TBC候选材料的研究集中在SrZrO3、SrZrO3:Ln3+（Ln = Yb, Gd）、BaZrO3和Ba(Mg1/3Ta2/3)O3等材料上[6]，[7]。其他用于TBC研究的类钙钛矿氧化物包括CaZrO3、La(Al1/4Mg1/2Ta1/4)O3、BaLa2Ti3O10、LnAlO3（Ln = Y, Yb）、Ln2SrAl2O7（Ln = La, Nd, Sm, Eu, Gd, Dy [1]，[2]，[4]，[5]、SrHfO3:Ln3+（Ln = Y, Yb）[8]、SrCeO3 [9]、Ba(Sr1/3Ta2/3)O3 [10]、LnTa3O9（Ln = La, Nd, Gd, Yb）[11]。然而，最有前景的钙钛矿也存在一些缺点，如位移型相变（SrZrO3）、相对较高的热导率和较低的TEC（BaZrO3）、较低的断裂韧性（Ba(Mg1/3Ta2/3)O3），以及氧缺陷材料的离子导电性，以及复杂钙钛矿如Ba(Mg1/3Ta2/3)O3和La(Al1/4Mg1/2Ta1/4)O3形成的次级相[10]，[12]。
双钙钛矿A2B'B''O6作为TBC材料，是简单（ABO3）和层状钙钛矿（Ba(Mg1/3Ta2/3)O3、Ln2SrAl2O7、BaLa2Ti3O10等）的潜在替代品。大多数双钙钛矿具有岩盐型的阳离子排列，相对于简单钙钛矿具有2×2×2的超结构[13]。双钙钛矿的灵活性，以及A、B'和B"位点上不同阳离子的多种组合，决定了它们具有半导体、金属、电介质、磁性、发光、铁电、热电等特性。
我们注意到这一庞大化合物家族中的一个代表——热稳定的双钙钛矿Ba2YNbO6（BYNO），它被提议作为掺杂Mn4+或Ln3+的荧光体的宿主[14]，[15]，以及作为高质量YBa2Cu3O7超导薄膜的外延生长基底[16]，[17]，[18]。BYNO陶瓷的电性能在[16]，[19]中进行了研究，但关于BYNO作为TBC顶涂材料的应用数据以及其基本的热物理和机械性能数据尚缺乏。
本研究通过提供与TBC应用相关的BYNO热物理和机械性能的详细探索，填补了这一知识空白。为了评估BYNO作为下一代TBC材料的潜力，我们结合了先进的理论计算和实验测量。对于BYNO性能的理论预测，我们计算了其作为函数的温度热导率和TEC，并表明它们适用于TBC。然后我们制备了BYNO陶瓷和单晶，并研究了其晶体结构、TEC、热导率、杨氏模量和纳米硬度。本研究的结果支持了BYNO作为有前景的TBC材料的积极评价。
计算方法
计算方法
为了计算BYNO的热导率，我们采用了两种理论方法。第一种是均匀非平衡分子动力学（HNEMD）方法[20]，[21]，它在GPUMD软件包[22]，[23]中实现。第二种方法是使用有效谐波模型（EHM）[28]，[29]求解玻尔兹曼传输方程（BTE）[24]，[25]，[26]，[27]，该方法在Hipive[30]和ShengBTE[31]软件包中实现。
在HNEMD方法中，通过创建一个略微非平衡的状态来...
XRD、拉曼光谱、微观结构和机械性能
在1373?1773 K下烧结的BYNO粉末（图1）的PXRD图谱显示了尖锐、定义明确的峰，表明其具有高结晶度且没有检测到次级相，这证实了成功合成了单相Ba2YNbO6（ICDD PDF-2 00-024-1042），具有双钙钛矿结构。PXRD数据的Rietveld精修以及单晶X射线衍射分析确认了BYNO的晶体结构为立方体。从这两者得出的详细结构参数...
结论
基于对热导率、热膨胀和机械性能的详细模拟以及实验测量，我们研究了双钙钛矿Ba2YNbO6（BYNO）作为TBC潜在材料的适用性。通过在1700°C下进行火花等离子烧结（SPS）制备的BYNO陶瓷，对其微观结构、热性能和机械性能进行了研究。BYNO具有较高的热稳定性（高熔点且无相变...
CRediT作者贡献声明
Roman Aleksandrovich Shutilov：撰写 – 审稿与编辑，可视化，实验研究。Igor Konstantinovich Igumenov：撰写 – 审稿与编辑，监督。Igor Pavlovich Gulyaev：撰写 – 审稿与编辑，实验研究。Artur Rinatovich Nasyrbaev：撰写 – 审稿与编辑，实验研究。Artem Romaevich Oganov：撰写 – 审稿与编辑，验证，监督，方法学。Evgeniya Semenovna Zolotova：实验研究。Alexey Pavlovich Maltsev：撰写 – 审稿与编辑，利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
