Cristobalite-suppressed Al–SiO 2 ceramic coatings: DFT-guided nanoparticle design for durable oxidation resistance

方石英 陶瓷 材料科学 纳米颗粒 结构材料 冶金 化学工程 纳米技术 复合材料 工程类 石英
作者
Hao-Jie Yan,Xian-Ze Meng,Chong Jia,Zhengwei Li,Ruo-Zhan Yin,Xiaofeng Zhang,Lian-Kui Wu
出处
期刊:Journal of Advanced Ceramics [Springer Science+Business Media]
卷期号:14 (6): 9221090-9221090 被引量:3
标识
DOI:10.26599/jac.2025.9221090
摘要

To address the critical challenge of crack propagation in electrodeposited SiO2 coatings caused by cristobalite phase transitions, Al nanoparticles were incorporated into SiO2 coatings for enhanced phase stability and durable temperature oxidation resistance. The incorporation of Al inhibits and optimizes the generation of cristobalite, which suppresses the formation of cracks, thereby reducing the parabolic oxidation rate constant (kp) of the SiO2 coating by 32.4% after oxidation at 900 °C for 100 h. Density functional theory (DFT) calculations demonstrate that the introduced Al preferentially exists in a substitutional form, effectively stabilizing the K@SiO2 lattice structure by inhibiting K migration-induced cristobalite precipitation. Thermodynamically, the negative solution energy (−4.367 eV) of K@Six−1AlO2x confirms the spontaneous incorporation of substitutional Al into the K@SiO2 lattice. Structurally, substitutional Al forms a shorter Al‒K bond (2.91 Å) than does the Si‒K bond (3.39 Å), which can mitigate K-induced channel distortion and hinder the migration of K. Charge distribution analysis reveals that the Mulliken charges of Al (1.040) partially neutralize the Mulliken charges of K (−2.187), reducing electrostatic repulsion and promoting localized bonding. Furthermore, the incorporation of Al can restrain the precipitation of the brittle Z-phase, further contributing to improved oxidation performance.
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