Thermodynamic Modelling and Phase Equilibria in ZrO2-RE2O3-Y2O3-Al2O3 Materials Systems

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In diesem Forschungsantrag wird die umfassende thermodynamische Modellierung von Lösungsphasen mit dem Compound Energy Formalismus unter Berücksichtigung der Kristallstrukturen und der Besetzungsanteile der Strukturspezies vorgeschlagen. Im Mittelpunkt der geplanten Modellierungen stehen Selten-Erd-Zirkonate (Pyrochlor- und Fluorit-Struktur) und Selten-Erd-Aluminate (Perowskit-Struktur).Der vorgeschlagene integrierte Ansatz umfasst das Arbeitgebiet der „Computational Thermodynamics“ und experimentelle Untersuchungen der ZrO2-RE2O3-Y2O3-Al2O3 Systeme (RE sind hier die Seltenerd-Metalle La, Nd, Sm, Gd, Yb). Die Modellparameter werden auf der Grundlage von experimentellen Informationen für die Phasengleichgewichte und die thermodynamischen Daten optimiert. Die geplanten Extrapolationen von den binären Systemen in die ternären Systeme sind sehr nützlich, um Materialzusammensetzungen festzulegen, die experimentell untersucht werden sollen. Die Phasengleichgewichte werden dann studiert für die Systeme ZrO2-RE2O3-Y2O3 (RE = Nd, Sm) und RE2O3-Y2O3-Al2O3 (RE = La, Nd, Sm, Yb), um die thermodynamischen Rechnungen zu überprüfen. Die thermodynamischen Datenbanken für die Zirkoniumdioxid-basierten Systeme werden verwendet, um Phasengleichgewichtsdiagramme zu berechnen, die für das Verständnis der Reaktionen zwischen Schichten und Oxidlagen in Wärmedämmschichtsystemen wichtig sind. Außerdem können durch diese Rechnungen Aussagen für die Reaktionen von Kathodenmaterial mit dem Elektrolyten in Festkörper-Brennstoffzellen (Solid oxide fuel cells) gemacht werden. Die Effekte von Zusätzen weiterer Elemente auf die Stabilität und Langzeit-Lebensdauer der Wärmedämmschichten kann aus den thermodynamischen Simulationen der diffusionslosen Phasentransformationen in den ZrO2-Basis-Systemen abgeleitet werden.