First-principles prediction, fabrication and characterization of (Hf0.2Nb0.2Ta0.2Ti0.2Zr0.2)B2 high-entropy borides

材料科学 放电等离子烧结 微观结构 硼化物 陶瓷 抗弯强度 硬化(计算) 制作 断裂韧性 复合材料 医学 替代医学 图层(电子) 病理
作者
Linjing Qiao,Yi Liu,Yu Gao,Jianqiang Bi,Yonghan Li,C. Liu,Jian Gao,Weili Wang,Zhao Qian
出处
期刊:Ceramics International [Elsevier BV]
卷期号:48 (12): 17234-17245 被引量:51
标识
DOI:10.1016/j.ceramint.2022.02.281
摘要

The microstructure and mechanical properties of (Hf0.2Nb0.2Ta0.2Ti0.2Zr0.2)B2 high-entropy boride (HEB) were first predicted by first-principles calculations combined with virtual crystal approximation (VCA). The results verified the suitability of VCA scheme in HEB studying. Besides, single-phase (Hf0.2Nb0.2Ta0.2Ti0.2Zr0.2)B2 ceramics were successfully fabricated using boro/carbothermal reduction (BCTR) method and subsequent spark plasma sintering (SPS); furthermore, the effects of different amounts of B4C on microstructure and mechanical properties were evaluated. Due to the addition of B4C and C, all samples formed single-phase solid solutions after SPS. When the excess amount of B4C increased to 5 wt%, the sample with fine grains exhibited superior comprehensive properties with the hardness of 18.1 ± 1.0 GPa, flexural strength of 376 ± 25 MPa, and fracture toughness of 4.70 ± 0.27 MPa m1/2. Nonetheless, 10 wt% excess of B4C coarsened the grains and decreased the strength of the ceramic. Moreover, the nanohardness (34.5–36.9 GPa) and Young's modulus (519–571 GPa) values with different B4C contents just showed a slight difference and were within ranges commonly observed in high-entropy diboride ceramics.
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