Регистрация / Вход
Прислать материал

Исследования структуры и механических свойств кристаллов диоксида циркония, стабилизированного Y2O3, с добавлением различных оксидов редких земель

ФИО: Степанова Е.А.

Направление: Материаловедение

Научный руководитель: к.ф-м.н. Милович Ф.О.

Институт: Институт новых материалов и нанотехнологий

Кафедра: Кафедра Материаловедения полупроводников и диэлектриков

Академическая группа: МПП-11-1

Материалы на основе диоксида циркония обладают целым комплексом уникальных физико-химических, электрических и механических свойств. Эти свойства обусловливают широкий спектр различных применений: защитных покрытий, конструкционных материалов, топливных элементов, медицинских хирургических инструментов и имплантатов. К таким материалам относится частично стабилизированный диоксид циркония (ЧСЦ), представляющий собой твердый раствор диоксида циркония с небольшими добавками оксидов редкоземельных элементов (РЗЭ).

Свойства кристаллов ЧСЦ зависят от структуры, фазового состава, а также наличия кислородных вакансии (F++-центров), которые возникают по причине меньшей зарядности катионов. Катионы Y, Ce, Nd, Sc, Er в разной степени стабилизируют структуру кристаллов ЧСЦ, в связи с разными размерами ионов, что, в конечном итоге, влияет на физико-химические свойства ЧСЦ. Поэтому целью данной работы было исследовать влияние дополнительно введённых примеси оксидов металлов на структуру, фазовый состав и свойства ЧСЦ.

В работе методами просвечивающей электронной микроскопии и рентгеновской дифрактометрии исследована структура и фазовый состав кристаллов частично стабилизированного диоксида циркония в зависимости от вида стабилизирующей примеси (Y, Ce, Nd, Sc, Er). Проведены измерения твердости и трещиностойкости методом микроиндентирования.

Показано, что для всех кристаллов ЧСЦ характерно наличие двойниковой доменной структуры. Выявлено, что влияние дополнительного количества оксидов РЗЭ на фазовый состав, структуру и свойства кристаллов, частично стабилизированного оксидом иттрия диоксида циркония, зависит от вида и концентрации редкоземельных элементов. Так например, в кристаллах ЧСЦ ZrO2-1,0 мол % Y2O3 дополнительное введение 1,8 мол % Er2O3 (рис. 1а) приводит к стабилизации трансформируемой фазы – t, а при введении оксида неодима в том же количестве в кристаллах сохраняетcя моноклинная фаза. Добавление 0,8 мол % оксида эрбия к 2,0 мол % оксида иттрия позволяет, как и в случае содержания только оксида иттрия 2,8 мол % (рис. 1б), получить смесь трансформируемой и нетрансформируемой (t и t’) фаз. Аналогичное добавление к 2,0 мол % оксида иттрия 0,8 мол % оксида неодима обеспечивает стабилизацию одной трансформируемой t-фазы, при этом t’-фаза отсутствует. Таким образом, показано, что замена в кристаллах ZrO2-2,8 мол % Y2O3 части оксида иттрия на оксид редкоземельного элемента не всегда приводит к аналогичному фазовому составу кристаллов, а зависит от концентрации оксида иттрия, и вида РЗЭ.

Рисунок 1 – Изображения ПЭМ (JEM 2100) структуры характерной для кристаллов ЧСЦ с концентрацией а) – 1,0 мол Y2O3 % + Er2O3 1,8 мол %. Er2O3 б) – 2,0 мол Y2O3 % + Er2O3 0,8 мол %.