Unlocking ultrastrong high-temperature ceramics: Beyond Equimolar Compositions in High Entropy Nitrides

高熵合金 材料科学 亚稳态 固溶体 氮化物 陶瓷 合金 旋节分解 热力学 化学工程 相(物质) 冶金 纳米技术 化学 物理 图层(电子) 有机化学 工程类
作者
Oleksandr Pshyk,Andrij Vasylenko,P. Kuttel,Bartosz Wicher,Peter Schweizer,Johann Michler,Thomas Edward James Edwards
出处
期刊:Cornell University - arXiv
标识
DOI:10.48550/arxiv.2310.20441
摘要

Traditionally, increasing compositional complexity and chemical diversity of high entropy alloy ceramics whilst maintaining a stable single-phase solid solution has been a primary design strategy for the development of new ceramics. However, only a handful have shown properties that justify the increased alloying content. Here, we unveil a groundbreaking strategy based on deviation from conventional equimolar composition towards non-equimolar composition space, enabling tuning the metastability level of the supersaturated single-phase solid solution. By employing high-temperature micromechanical testing of refractory metal-based high entropy nitrides, we found that the activation of an additional strengthening mechanism upon metastable phase decomposition propels the yield strength of a non-equimolar nitride at 1000 C to a staggering 6.9 GPa, that is 40 % higher than the most robust equimolar nitride. We show that the inherent instability triggers the decomposition of the solid solution with non-equimolar composition at high temperatures, inducing strengthening due to the coherency stress of a spinodally modulated structure, combined with the lattice resistance of the product solid solution phase. In stark contrast, the strength of equimolar systems, boasting diverse chemical compositions, declines as a function of temperature due to the weakening of the lattice resistance and the absence of other strengthening mechanisms.

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