Fabrication and characterization of high entropy pyrochlore ceramics

Abstract

High-entropy rare-earth (RE) zirconates with pyrochlore structure were successfully fabricated by pressureless and spark plasma sintering. RE2Zr2O7 compound with nominal composition (La0.2Y0.2Gd0.2Nd0.2Sm0.2)Zr2O7 was prepared by simple glycine nitrate procedure (GNP). GNP process yielded powders with low crystallinity and after subsequent calcination, well crystalline ceramics were formed. During calcination defective fluorite (F-RE2Zr2O7) and crystal pyrochlore (Py-RE2Zr2O7) structures coexist. Formation of pure crystalline pyrochlore occurs after sintering at 1450 °C. High-density ceramics, free of any additives, were obtained after powders compaction and pressureless (PS), as well as field assisted sintering technique (FAST) at 1450 °C. Theoretical investigations of the high-entropy RE2Zr2O7 pyrochlore systems were performed. Unit cell parameter of the obtained Py-RE2Zr2O7 is 10.5892(2) Å and 10.5999(2) Å for PS and FAST sintering, respectively, which is in good agreement with the results of Density Functional Theory (DFT) calculations. The thermal diffusivity of sintered samples at room temperature was ∼0.7 mm2/s for both sintering methods. Resumen: Se fabricaron con éxito, mediante sinterización por plasma sin presión y por chispa, los circonatos de tierras raras (RE) de alta entropía con estructura de pirocloro. El compuesto RE2Zr2O7 con composición nominal (La0,2Y0,2Gd0,2Nd0,2Sm0,2)Zr2O7 se preparó mediante un procedimiento simple de nitrato de glicina (GNP). El proceso GNP produjo polvos con baja cristalinidad y después de la posterior calcinación, se formaron cerámicas bien cristalinas. Durante la calcinación coexisten estructuras defectuosas de fluorita (F-RE2Zr2O7) y pirocloro cristalino (Py-RE2Zr2O7). La formación de pirocloro cristalino puro se produce después de la sinterización a 1.450 °C. Después de la compactación de polvos y sin presión (PS), así como por la técnica de sinterización asistida en campo (FAST) a 1.450 oC, se obtuvieron cerámicas de alta densidad, libres de aditivos. Se realizaron investigaciones teóricas de los sistemas de pirocloro RE2Zr2O7 de alta entropía. El parámetro de celda unitaria del Py-RE2Zr2O7 obtenido es 105.892(2) Å y 105.999(2) Å para la sinterización PS y FAST, respectivamente, lo que está de acuerdo con los resultados de los cálculos de la teoría funcional de la densidad (DFT). La difusividad térmica de las muestras sinterizadas a temperatura ambiente fue de ∼ 0,7 mm2/s para ambos métodos de sinterización.

Keywords

• Cerámica de alta entropía
• Estructura de pirocloro
• Densificación
• Predicción de la estructura cristalina