Temperature‐dependent elastic and thermodynamic properties of ZrC, HfC, and their solid solutions (Zr0.5Hf0.5)C

材料科学 碳化锆 热膨胀 热力学 热导率 陶瓷 剪切模量 固溶体 各向异性 体积模量 最大相位 碳化物 弹性模量 复合材料 冶金 物理 量子力学
作者
Jieqiang Jiang,Zuhao Shi,Arramel Arramel,Jinyong Zhang,Tengfei Deng,Neng Li
出处
期刊:Journal of the American Ceramic Society [Wiley]
卷期号:106 (3): 2024-2036 被引量:15
标识
DOI:10.1111/jace.18872
摘要

Abstract Zirconium carbide (ZrC) and hafnium carbide (HfC) have been identified as ultrahigh temperature ceramics with excellent thermal conductivity performance. The temperature profiles of ZrC and HfC have been studied; however, the temperature‐dependent of solid solution of (Zr 0.5 Hf 0.5 )C is still lacking. Herein, we report the temperature‐dependent elastic and thermodynamic properties of (Zr 0.5 Hf 0.5 )C using first‐principles calculations. The covalent characters of ZrC, HfC, and (Zr 0.5 Hf 0.5 )C are weakened at high temperatures by analyzing their respective electronic structures. In addition, the equilibrium volumes at different temperatures can be determined from the energy–volume ( E – V ) curves under the quasi‐harmonic approximation. Throughout the temperature ranges studied, the HfC material shows the highest bulk modulus and lowest thermal expansion. When T > 1000 K, (Zr 0.5 Hf 0.5 )C exhibits better shear and Young's modulus performance close to HfC and shows the highest anisotropy. The lattice thermal conductivity decreased as temperature increased for ZrC, HfC, and (Zr 0.5 Hf 0.5 )C, and (Zr 0.5 Hf 0.5 )C has the smallest lattice thermal conductivity. These results provide fundamental and useful information for the practical application of ZrC, HfC, and (Zr 0.5 Hf 0.5 )C.
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