Dominant mechanisms of thermo-mechanical properties of weberite-type RE3TaO7 (RE=La, Pr, Nd, Eu, Gd, Dy) tantalates toward multifunctional thermal/environmental barrier coating applications

材料科学 热障涂层 涂层 热的 化学工程 纳米技术 热力学 物理 工程类
作者
Lin Chen,Mingyu Hu,Jiankun Wang,Baihui Li,Jing Feng
出处
期刊:Acta Materialia [Elsevier]
卷期号:270: 119857-119857
标识
DOI:10.1016/j.actamat.2024.119857
摘要

Weberite-type RE3TaO7 (RE=La, Pr, Nd, Eu, Gd, Dy) tantalates have been studied as multifunctional thermal/environmental barrier coating materials with working temperatures above 1500 K. This study proposes the dominant mechanisms of their thermo-mechanical properties. The relative ionicity of the RE-O bonds increased with increasing RE+3 ionic radius, which weakened the bond strength and led to decreases in Young's modulus and hardness. A model was proposed to derive the high-temperature thermal conductivity based on the relationship between the phonon thermal conductivity and temperature, and the thermal radiative conductivity was estimated. RE3TaO7 exhibited a lower thermal conductivity than other fluorite-related oxides because its weak bond strength could slow down the phonon speed and enhance the an-harmonic vibrations of the lattices. At low temperatures, the RE atomic weight was a better descriptor of the thermal conductivity than the RE+3 ionic radius, and which could aid in further regulating the thermal conductivity. The thermal expansion coefficients of the different axes were affected by both RE-O and Ta-O bonds when weak RE-O bonds dominated the linear thermal expansion. The low oxygen ion conductivity derived from the strong covalent Ta-O bonds, which increased the activation energy for oxygen hopping in lattices of RE3TaO7. This study elucidates the dominant mechanisms of properties from the characteristics of crystals and chemical bonds, which are significant for high-temperature applications of tantalates.
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