Исследования взаимосвязи структурных особенностей и транспортных характеристик электролитических мембран на основе ZrO2-Y2O3-Sc2O3

Методом направленной кристаллизации расплава выращены монокристаллы кубических и тетрагональных твердых растворов на основе диоксида циркония, солегированных оксидами скандия и иттрия. Получены однородные бездефектные монокристаллы при суммарной концентрации стабилизирующих оксидов скандия и иттрия в интервале 10 - 12 мол. %. Исследование взаимного влияния на распределение стабилизирующих оксидов скандия и иттрия в кристаллах методом рентгеноспектрального анализа показало, что состав всех исследованных образцов однороден и концентрация Sc₂O₃ и Y₂O₃ практически соответствует его содержанию в исходной шихте. Исследование фазового состава кристаллов показало, что кристаллы, обладающие наибольшей проводимостью, по своей структуре являются граничными между тетрагональной и кубической структурой. Методом рентгеновской дифрактометрии установлено, что они обладают кубической структурой. С помощью метода спектроскопии комбинационного рассеяния света установлено присутствие тетрагональной структура t``-фазы, которая характеризуется малой величиной смещения ионов кислорода в анионной подрешетке вдоль оси с. Определены составы, позволяющие получать однородные однофазные бездефектные кристаллы с высокой удельной электропроводностью, пригодные для практического использования в качестве исходного материала для изготовления электролитических мембран твердооксидных топливных элементов. Значения ионной проводимости частично стабилизированных кристаллов на основе диоксида циркония уступают значениям удельных проводимостей кристаллов со структурой t``-фазы. Вместе с тем исследование механичеcких свойств тетрагональных кристаллов показало более высокие значения характеристик микротвердости и трещиностойкости. Кристаллы полностью стабилизированного диоксида циркония имели высокую микротвердость, но малую трещиностойкость. Отжиг кристаллов при температуре 1273 K на воздухе показал, что для полностью стабилизированных кристаллов диоксида циркония после отжига наблюдаются незначительные изменения структуры, фазового состава, а также электрофизических характеристик. Сопоставление данных об изменении электротранспортных характеристик монокристаллов в процессе ресурсных испытаний с данными об изменениях фазового состава образцов до и после ресурсных испытаний позволяет предположить, что причина ухудшения электротранспортных характеристик связана с изменением структуры в объеме материала от t″-фазы к более тетрагональной фазе за счет смещения атомов кислорода вдоль оси с. Отжиг тетрагональных кристаллов диоксида циркония, частично стабилизированных оксидами скандия и иттрия, не привел к изменению структуры кристаллов и его физико-химических свойств.