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Influence of embedded MoSi2 particles on the high temperature thermal conductivity of SPS produced yttria-stabilised zirconia model thermal barrier coatings

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Influence of embedded MoSi2 particles on the high temperature thermal conductivity of SPS produced yttria-stabilised zirconia model thermal barrier coatings

In questo lavoro è stata misurata la conducibilità termica di campioni di YSZ addizionati con varie percentuali volumetriche di MoSi2 preparati mediante la tecnica Spark Plasma Sintering. Le misure sono state effettuate da temperatura ambiente fino a 1000 ° C. Le misure sono state confrontate con i risultati di simulazioni effettuate con modelli agli elementi finiti (COMSOL) e modelli analitici (modelli di Bruggeman e modello Nielsen) dove si è tenuto conto sia della presenza di porosità sia delle particelle di MoSi2. L’analisi microstrutturale è stata effettuata da mediante analisi d’immagine a partire da immagini SEM e da microscopia ottica; in particolare sono state determinate la frazione, la dimensione, la distribuzione e la superficie di particelle di sigillante. La Diffrazione di raggi X (XRD) è stata condotta per valutare la struttura chimica e la composizione dei materiali compositi. I risultati qui presentati indicano un aumento non lineare della conducibilità termica del materiale composito con la frazione di volume MoSi2.

To prolong the lifetime of thermal barrier coatings (TBCs) recently a new method of microcrack healing has been developed, which relies on damage initiated thermal decomposition of embedded molybdenum disilicide (MoSi2) particles within the TBC matrix. While these MoSi2 particles have a beneficial effect on the structural stability of the TBC, the high thermal conductivity of MoSi2 may have an unfavourable but as yet unquantified impact on the thermal conductivity of the TBCs.

In this work the thermal conductivity of spark plasma sintering (SPS) produced yttria-stabilised zirconia (YSZ) model thermal barrier coatings containing 10 or 20 vol.% of MoSi2 healing particles was investigated using the laser flash method. Measurements were performed on free-standing composite material over a temperature range from room temperature up to 1000 °C. Microstructural analysis was carried out by SEM combined with image analysis to determine the size, distribution and area fraction of healing particles. The measurements

were compared with the results from microstructure-based multi-physics finite element (FE) models and analytical models (the asymmetric Bruggeman model and the Nielsen model) in order to study the effects of the addition of MoSi2 particles as well as the presence of micro-pores on the apparent thermal conductivity. The results show a strongly non-linear increase in the thermal conductivity of the composite material with the MoSi2 volume fraction and a dependence on the aspect ratio of MoSi2 particles. Interparticle connectivity is shown to play a big role too.

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