Phonon thermal conductivity of nanograined zirconium diboride: molecular dynamics study

Editorial Board PCSS Journal; О.О. Григоренко; К.В. Попюк; В.В. Курилюк

doi:10.15330/pcss.26.4.828-832

Автор(и)

О.О. Григоренко Київський національний університет імені Тараса Шевченка, фізичний факультет, Київ, Україна
К.В. Попюк Київський національний університет імені Тараса Шевченка, фізичний факультет, Київ, Україна
В.В. Курилюк Київський національний університет імені Тараса Шевченка, фізичний факультет, Київ, Україна

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.26.4.828-832

Ключові слова:

диборид цирконію, кераміка, нанозернистий, теплопровідність, молекулярна динаміка

Анотація

У цій роботі за допомогою методу молекулярної динаміки досліджено характеристики фононного транспорту в монокристалічному та нанозернистому дибориді цирконію. Виявлено, що у випадку монокристалічного ZrB₂ анізотропія фононної теплопровідності поступово зменшується з підвищенням температури. Результати також демонструють, що зменшення розміру зерен у нанозернистому ZrB₂призводить до зменшення теплопровідності. При розмірі зерна 1 нм подальше його зменшення не впливає на величину теплопровідності матеріалу. Отримані результати пояснюються розсіюванням носіїв тепла на границях поділу та аморфізацією зернистої структури.

Посилання

W.G. Fahrenholtz, G.E. Hilmas, J. Am. Ceram. Soc., Refractory diborides of zirconium and hafnium 90(5) 1347 (2007); https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2007.01583.x.

Z. Wang, C.Q. Hong, X.H. Zhang, X. Sun, J.C. Han, Mater. Chem. Phys., Microstructure and thermal shock behavior of ZrB2–SiC–graphite composite 113, 338 (2009); https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2008.07.095.

X.H. Zhang, Z. Wang, P. Hu, W.B. Han, C.Q. Hong, Scr. Mater., Mechanical properties and thermal shock resistance of ZrB2–SiC ceramic toughened with graphite flake and SiC whiskers, 61, 809 (2009); https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2009.07.001.

G.J. Zhang, Y.D. Deng, N. Kondo, J.F. Yang, T. Ohji, J. Am. Ceram. Soc., Reactive hot pressing of ZrB2–SiC composites, 83 (9), 2330 (2000); https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.2000.tb01558.x.

M.M Opeka, I.G. Talmy, E.J. Wuchina, J.A. Zaykoski, S.J. Causey, J. Eur. Ceram. Soc., Mechanical, thermal, and oxidation properties of refractory hafnium and zirconium compounds 19(13), 2405 (1999); https://doi.org/10.1016/S0955-2219(99)00129-6.

M.M. Opeka, I.G. Talmy, J.A. Zaykoski, J. Mater. Sci., Oxidation-based materials selection for 2000 °C + hypersonic aerosurfaces: theoretical considerations and historical experience 39 (19), 5887 (2004); https://doi.org/10.1023/b:jmsc.0000041686.21788.77.

M.J. Gasch, D.T. Ellerby, S.M. Johnson, Handbook of ceramic composites, Ultra high temperature ceramic composites 9, 197 (2005); http://doi.org/10.1007/0-387-23986-3_9.

T.H. Squire, J. Marschall, J. Eur. Ceram. Soc., Material property requirements for analysis and design of UHTC components in hypersonic applications 30(11), 2239 (2010); https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2010.01.026.

L. Zhang, D.A Pejakovic´, J. Marschall, M. Gasch, J. Am. Ceram. Soc., Thermal and electrical transport properties of spark plasma-sintered HfB2 and ZrB2 ceramics 94(8), 2562 (2011); https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2011.04411.x

J. W. Zimmermann, G. E. Hilmas, W. G. Fahrenholtz, R. B. Dinwiddie, W. D. Porter, H. Wang, J. Am. Ceram. Soc, Thermophysical properties of ZrB2 and ZrB2-SiC ceramics 91, 1405 (2008); https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2008.02268.x.

M. J. Thompson, W. G. Fahrenholtz, G. E. Hilmas, J. Am. Ceram. Soc, Elevated temperature thermal properties of ZrB2 with carbon additions 95, 1077 (2012); https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2011.05034.x.

J.W. Lawson, M.S. Daw, C.W. Bauschlicher, Jr J. Appl. Phys, Lattice thermal conductivity of ultra high temperature ceramics ZrB2 and HfB2 from atomistic simulations 110(8), (2011); http://doi.org/10.1063/1.3647754

H. Kinoshita, S. Otani, S. Kamiyama, H. Amano, I. Akasaki, J. Suda, H. Matsunami, Jpn. J. Appl. Phys., Zirconium Diboride (0001) as an Electrically Conductive Lattice-Matched Substrate for Gallium Nitride 40 (12A), 1280 (2001); https://doi.org/10.1143/JJAP.40.L1280.

A. P. Thompson, H. M. Aktulga, R. Berger, D. S. Bolintineanu, W. M. Brown, P. S. Crozier, P. J. in 't Veld, A. Kohlmeyer, S. G. Moore, T. D. Nguyen, R. Shan, M. J. Stevens, J. Tranchida, C. Trott, S. J. Plimpton, Comp Phys Comm , LAMMPS - a flexible simulation tool for particle-based materials modeling at the atomic, meso, and continuum scales 271, 10817 (2022); https://doi.org/10.1016/j.cpc.2021.108171

J.L Finney, Journal of Computational Physics, A procedure for the construction of Voronoi polyhedra, 32, 137-143 (1979); https://doi.org/10.1016/0021-9991(79)90146-3.

V.V. Kuryliuk, O.A. Korotchenkov, Physica E: Low-Dimensional Systems and Nanostructures, Atomistic simulation of the thermal conductivity in amorphous SiO2 matrix/Ge nanocrystal composites, 88, 228 (2017); https://doi.org/10.1016/j.physe.2017.01.021.

M. Sanjeeva, M. R. Gilbert, S. T. Murphy, Fusion Engineering and Design, Molecular dynamics simulations of the effect of porosity on heat transfer in Li2TiO3 202, 114344 (2024); https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2024.114344.

M. Mansourian-Tabaei, A. Asiaee, B. Hutton-Prager, S. Nouranian, Applied Surface Science, Thermal barrier coatings for cellulosic substrates: A statistically designed molecular dynamics study of the coating formulation effects on thermal conductivity 587, 152879 (2022); https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2022.152879.

V.V. Kuryliuk, S.S. Semchuk, K.V. Dubyk, R.M. Chornyi, Nano-Structures and Nano-Objects, Structural features and thermal stability of hollow-core Si nanowires: A molecular dynamic study 29, 8 (2022); https://doi.org/10.1016/j.nanoso.2021.100822.