ВЗАИМОСВЯЗЬ СТРУКТУРЫ, ТЕПЛО- И ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ НА ОСНОВЕ ДИОКСИДА ЦИРКОНИЯ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ КОМБИНИРОВАННЫХ СТАБИЛИЗИРУЮЩИХ ДОБАВОК

В работе изучено влияние концентрации стабилизирующих оксидов скандия, иттрия и церия структуру, фазовый состав, теплопроводность и транспортные характеристики твердых растворов на основе диоксида циркония. Показана взаимосвязь структуры кристаллов с их физико-химическими свойствами. Синтез кристаллов твердых растворов на основе диоксида циркония проводили методом направленной кристаллизации расплава с использованием прямого высокочастотного нагрева. Фазовый состав кристаллов исследовали методами рентгеновской дифрактометрии и комбинационного рассеяния света. Электропроводность кристаллов измеряли методом импедансной спектроскопии. Измерения теплопроводности были проведены абсолютным стационарным методом продольного теплового потока в диапазоне температур 50 – 300 К.Показано, что фазовый состав кристаллов на основе диоксида циркония зависит от вида и концентрации стабилизирующих оксидов. В твердых растворах диоксида циркония стабилизированных оксидами скандия и иттрия, в исследованном диапазоне составов, однофазные кубические монокристаллы были получены только при суммарной концентрации стабилизирующих оксидов больше 10 мол.%. При введении в твердые растворы на основе диоксида циркония оксидов скандия и церия однофазных кубических кристаллов получено не было. При суммарной концентрации стабилизирующих оксидов выше 10 мол.% в кристаллах, наряду с кубической фазой присутствовала ромбоэдрическая фаза, а при суммарной концентрации меньше 10 мол.% − кубическая и тетрагональная. Дополнительное введение оксида иттрия в твердые растворы, на основе диоксида циркония стабилизированные оксидами скандия и церия, привело к стабилизации кубической фазы во всем объеме кристаллов только при содержании оксида иттрия не менее 2 мол.%.Показано, что теплопроводность исследованных кристаллов уменьшается при увеличении суммарной концентрации стабилизирующих оксидов. Но основным фактором, влияющим на теплопроводность кристаллов на основе диоксида циркония, является концентрация стабилизирующего оксида скандия. Установлено, что при сопоставимых концентрациях стабилизирующих оксидов скандия, иттрия и церия в твердых растворах на основе диоксида циркония наблюдается корреляция значений электропроводности и теплопроводности кристаллов. Показано, что на теплопроводность и транспортные характеристики кристаллов влияет фазовый состав, дефекты структуры, а также локальная структура твердого раствора, а именно дефектные комплексы, образованные кислородными вакансиями с катионами твердого раствора.Исследование влияния термообработки кристаллов при температуре 1000 С в течение 400 часов на фазовый состав, теплопроводность и транспортные характеристики кристаллов показало, что в результате фазовых превращений может происходить деградация закаленной высокотемпературной кубической фазы в тетрагональную или ромбоэдрическую фазы. Показано, что отжиг приводит к уменьшению проводимости и теплопроводности неоднородных кристаллов во всем исследуемом диапазоне температур. Проводимость однофазных кубических кристаллов после отжига не изменялась.Полученная при выполнении данного проекта информация о взаимосвязи между химическим составом, структурой и физическими свойствами кристаллов может быть использована для лучшего понимания и целенаправленного изменения свойств функциональных материалов на основе диоксида циркония, в частности, для разработки новых теплоизолирующих покрытий, твердых электролитов и конструкционных керамических материалов.