title: Synthese und Eigenschaften von Hochentropiezirkonaten für die Anwendung in zukünftigen Wärmedämmschichten
Creators: name: Hutterer, Patrick
Publisher: name: UNSPECIFIED
Year: 2025

description: In den vergangenen Jahren ist die Suche nach Möglichkeiten, den anthropogenen CO2-Ausstoß zu reduzieren und somit die Folgen des Klimawandels zu beschränken, allgegenwärtig geworden. Dabei trägt der globale Flugverkehr mit etwa 2,4 % (2018) wesentlich zum CO2
Ausstoß bei.[1] Eine Steigerung der Effizienz durch den Einsatz neuer Materialien in aktuellen Flugturbinen ermöglichte eine Reduktion des Treibstoffbedarfs und damit der CO2-Emissionen. 
Die maximale (max.) Effizienz einer Turbine lässt sich gemäß dem Carnot-Wirkungsgrad durch die Erhöhung der Verbrennungstemperatur steigern.[2] Das aktuell am häufigsten verwendete Materialsystem in den heißen Bereichen der Turbine ist eine Nickelbasis-Legierung, welche 
durch eine Wärmedämmschicht (TBC) aus mit Yttriumoxid stabilisiertem Zirkoniumdioxid (YSZ) vor den hohen Temperaturen geschützt wird. Aufgrund der begrenzten Phasenstabilität des stabilisierten Zirkoniumdioxids ist dieses allerdings nur bis ca. 1200 °C einsetzbar.[3] Zur Realisierung höherer Verbrennungstemperaturen bedarf es somit eines neuen, hochtemperaturstabilen Materialsystems für Wärmedämmschichten, welches die darunterliegende Metalllegierung vor den hohen Temperaturen schützt. 
Eine neue, vielversprechende Materialklasse für den Einsatz als TBC stellen die sogenannten Hochentropieoxide (HEO) dar. Als solche werden komplexe, einphasige Oxide in einfachen Kristallstrukturen mit mindestens (min.) fünf verschiedenen Kationen bezeichnet.[4] Dieser 
Ansatz führt, durch verschiedene Effekte wie Gitterverzerrungen und erhöhte Konfigurationsentropie, zu vorteilhaften Materialeigenschaften hinsichtlich der Verwendung als TBC, wie bspw. eine geringe Wärmeleitfähigkeit und eine hohe Temperaturstabilität. Insbesondere Hochentropiezirkonate (HEZ) mit der allgemeinen Summenformel A2Zr2O7 und min. fünf verschiedenen A-Kationen haben sich in den letzten Jahren als besonders vielversprechend herausgestellt. Nach wie vor fehlt allerdings ein tieferes Verständnis darüber, wie die Zusammensetzung eines HEZ dessen Struktur und Materialeigenschaften beeinflusst. 
Im Rahmen dieser Arbeit wurden insgesamt 39 verschiedene HEZ mittels umgekehrter Co-Fällung synthetisiert, und durch systematische Variation der Zusammensetzung deren Einfluss auf die Struktur und Materialeigenschaften untersucht. 
Die elektronenmikroskopischen Untersuchungen bestätigten die Synthese der HEZ mit homogener Elementverteilung in gewünschter Zusammensetzung, wodurch die umgekehrte Co-Fällung als geeignete Synthesemethode validiert wurde. Zudem wurde nachgewiesen, dass 
sich einphasige HEZ hinsichtlich der Strukturausbildung analog zu Seltenerdzirkonaten mit gleichem Kationenradienverhältnis verhalten. Oberhalb eines Kationenradienverhältnisses von 1,46 kristallisieren sie in der Pyrochlorstruktur, unterhalb in der Defekt-Fluoritstruktur. Weiterhin gelang es erstmals, auf Basis umfangreicher Materialsynthesen, die Bildung einphasiger HEZ vorherzusagen. Es wurde gezeigt, dass Zusammensetzungen mit fünf verschiedenen A-Kationen bei Kationenradiendifferenzen unterhalb von 4,5 % einphasige Strukturen bilden, während bei einer größeren Anzahl von Kationen zusätzlich das 
Kationenradienverhältnis eine Rolle spielt. Dies kann mit der steigenden, maximalen Entropie der einzelnen, sich ausbildenden Phasen erklärt werden. 
Unabhängig von der Zusammensetzung zeigten alle untersuchten, einphasigen HEZ eine hervorragende Phasenstabilität bis min. 1500 °C, geringe Wärmekapazitäten (0,35 – 0,55 J g-1 K-1), sehr geringe Wärmeleitfähigkeiten (0,7 – 1,2 W m-1 K-1 bei 1000 °C), passende thermische Ausdehnungskoeffizienten (9 – 11 K-1) und geringe Kornwachstumsraten (250 – 650 % nach 1000 h bei 1500 °C). Damit weisen die HEZ im Vergleich zum derzeit am häufigsten 
verwendeten TBC-Material YSZ Vorteile hinsichtlich aller in dieser Arbeit untersuchten Eigenschaften auf und unterstreichen damit deren Potential für die Anwendung in TBCs. 
Aufgrund des ausgeprägten Cocktail-Effekts der HEZ war eine direkte Korrelation der Zusammensetzungen mit den Materialeigenschaften jedoch nur eingeschränkt möglich. Tendenziell zeigten insbesondere Zusammensetzungen mit kleineren A-Kationen in der Defekt
Fluoritstruktur, Y3+-haltige Zusammensetzungen sowie Zusammensetzungen ohne Pr3+ besonders vorteilhafte Eigenschaften. Auf Grundlage dieser Erkenntnisse wurden zwei weitere 
Zusammensetzungen für HEZ vorgeschlagen, welche hinsichtlich der Verwendung als TBC besonders vorteilhafte Eigenschaften aufweisen könnten. 
Diese Arbeit liefert die Grundlage zur Entwicklung neuer, leistungsfähiger und hochtemperaturstabiler TBC-Systeme auf Basis von HEZ. Die Ergebnisse unterstreichen das Potential der HEZ, durch ihre Verwendung in zukünftigen TBCs in Flug- und Gasturbinen, bedeutend zu deren Effizienzsteigerung beizutragen. Langfristig können diese Materialien 
somit einen bedeutenden Beitrag zur Reduktion des anthropogenen CO2-Ausstoßes leisten und so zum Klimaschutz beitragen.