Phase stability, mechanical and thermodynamic properties of (Hf, Zr, Ta, M)B2 (M= Nb, Ti, Cr, W) quaternary high-entropy diboride ceramics via first-principles calculations

材料科学 陶瓷 硼化镁 热力学 热稳定性 断裂韧性 二硼化钛 热膨胀 复合材料 化学工程 凝聚态物理 临界电流 超导电性 物理 工程类
作者
Qi Wu,Bing Chen,Xiao Yang,Nian Liu,Zijian Jia,Wenrui Wang
出处
期刊:Ceramics International [Elsevier BV]
卷期号:49 (20): 33255-33264 被引量:18
标识
DOI:10.1016/j.ceramint.2023.08.034
摘要

As the high-entropy design concept applied to the diboride ceramic system, high-entropy diboride ceramics with a wide range of composition control, is expected to become a new high-performance material for extreme high-temperature environments. Herein, the effects of four transition metal elements (Nb, Ti, Cr, W) on the phase stability and properties of (Hf, Zr, Ta)B2-based high-entropy diboride ceramics are systematically investigated via the first-principles calculations. All components were identified as thermodynamically, mechanically and dynamically stable from enthalpy of formation, elastic and phonon spectrum calculations. Among these, compared with the (Hf, Zr, Ta)B2 ceramics, the addition of Nb and Ti on the metal sublattice is beneficial to improve the mechanical properties of ceramics, including Young's modulus, hardness and fracture toughness, while the introduction of Cr and W weakens the strength of covalently and ionic bonds inside the material, reducing its mechanical properties. The predicted thermophysical properties show that the high-entropy diboride ceramics containing Nb and Ti have better high-temperature comprehensive performance, including higher Debye temperature, thermal conductivity and lower thermal expansion characteristics, which is conducive to the application in extreme high-temperature environments. This research will provide important guidance for the design and development of new high-performance high-entropy diboride ceramics.
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