Исследование низкотемпературных фазовых равновесий в системах на основе диоксида циркония и модельных системах

Проект направлен на исследование фазовых равновесий тугоплавких фторидных и оксидных систем в области низких температур, в которых время установления равновесия путем простого спекания становится практически недостижимым. Знание фазового состава и характеристики равновесного состояния необходимы, поскольку являются конечным пунктом эволюции материала в процессе эксплуатации. Примером является твердый раствор оксида скандия в оксиде циркония, который является основой кислородного твердого электролита – топливного элемента. Материал заведомо термодинамически неустойчив при температуре 1000-800 С, однако должен обеспечить ресурс эксплуатации при этих температурах на протяжении порядка 35 000-50 000 часов. Кроме того, понижение температуры, согласно третьему началу термодинамики, должно приводить к уменьшению энтропии, распаду твердых растворов и уменьшению концентрации дефектов, так что низкотемпературная область может быть источником новых упорядоченных фаз стехиометрических или близких к ним составов, которые могут стать основой новых функциональных материалов. Исследование низкотемпературных равновесий – весьма сложная, а зачастую и неразрешимая задача. При понижении температуры время установления равновесия, контролируемое катионной диффузией, возрастает экспоненциально. Низкотемпературными можно считать области, для которых время установления равновесия посредством сухого спекания составляет порядка 1 года. Для систем на основе оксидов циркония и гафния это около 1600 С, для тугоплавких фторидных систем – порядка 600-700 С. Для каждой системы существует определенная температура, ниже которой достижение равновесия недостижимо из-за необходимости слишком продолжительных отжигов. В данном проекте предполагается использовать для исследования систем из тугоплавких оксидов и фторидов солевые расплавы (флюсы), что позволит расширить область достоверного эксперимента на несколько сотен градусов в низкотемпературную область. Кроме того, будет использована оригинальная методика экстраполяции фазовых равновесий к абсолютному нулю температуры в соответствии с третьим законом термодинамики. Выбор конкретных систем для исследований определяется как практической важностью, так и теоретическим интересом. Будут исследованы системы ZrO2-Sc2O3, ZrO2-In2O3, ZrO2-Y2O3; BaF2-LaF3; BaF2-RF3, ROF-R2O3, где R – элементы иттриевой подгруппы. Для ускорения процессов фазообразования будут использованы наноразмерные твердофазные реагенты-прекурсоры. Основные методы исследования – рентгенофазовый анализ и электронная микроскопия. Будет исследована кинетика процессов, результаты будут сопоставлены с моделями Оствальдовского созревания и неклассического роста кристаллов путем ориентированного сращивания наночастиц.