Screening rare‐earth aluminates as promising thermal barrier coatings by high‐throughput first‐principles calculations

材料科学 八面体 热障涂层 正交晶系 结晶学 热膨胀 陶瓷 晶体结构 矿物学 化学 复合材料
作者
Kaili Chu,Yanning Zhang,Juanli Zhao,Yuchen Liu,Yiran Li,Wenxian Li,Bin Liu
出处
期刊:Journal of the American Ceramic Society [Wiley]
卷期号:106 (5): 3089-3102 被引量:7
标识
DOI:10.1111/jace.18970
摘要

Abstract Thermal barrier coatings (TBCs) play an important role in gas turbines to protect the turbine blades from the high‐temperature airflow damage. In this work, we use first‐principles calculations to investigate a specific class of rare‐earth ( RE ) aluminates, including cubic‐ RE AlO 3 (c‐ RE AlO 3 ), orthorhombic‐ RE AlO 3 (o‐ RE AlO 3 ), RE 3 Al 5 O 12 , and RE 4 Al 2 O 9 , to predict their structural stability, bonding characteristics, and mechanical and thermal properties. The polyhedron structures formed by the Al–O bonds are stronger and exhibit rigid characteristics, whereas the polyhedra formed by the RE –O bonds are relatively weak and soft. The alternating stacking of AlO 4 tetrahedra, AlO 6 octahedra, and RE –O polyhedra, as well as the selection of RE elements, shows intensive influences on the expected mechanical and thermal properties. The B , G , and E of these four types of aluminates decrease in the order of c‐ RE AlO 3 > o‐ RE AlO 3 > RE 3 Al 5 O 12 > RE 4 Al 2 O 9 . RE AlO 3 and RE 4 Al 2 O 9 are brittle and quasi‐ductile ceramics, respectively, whereas RE 3 Al 5 O 12 is tailorable. The minimum thermal conductivity is in the range of 1.4–1.5 W m −1 K −1 for c‐ RE AlO 3 , 1.3–1.4 W m −1 K −1 for o‐ RE AlO 3 , 1.25–1.35 W m −1 K −1 for RE 3 Al 5 O 12 , and 0.8–0.9 W m −1 K −1 for RE 4 Al 2 O 9 . RE 4 Al 2 O 9 with low thermal conductivity and damage tolerance is predicted to be the potential candidates for next‐generation TBC materials.
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