CC BY
20
Челябинский физико-математический журнал. 2017. Т. 2, вып. 2. С. 241-244.
УДК 539.89
ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ СТАБИЛИЗИРОВАННОГО ДИОКСИДА ЦИРКОНИЯ ПРИ ДАВЛЕНИЯХ 20-50 ГПа ПРИ РАЗЛИЧНЫХ КОНЦЕНТРАЦИЯХ ТЕТРАГОНАЛЬНОЙ ФАЗЫ
Ю. Н. Семенова", Я. Ю. Волкова6, А. Н. Бабушкинс
Уральский федеральный университет им. первого президента России Б. Н. Ельцина, Екатеринбург, Россия
"[email protected]; [email protected]; с[email protected]
Исследовано влияние исходного фазового состава на величину давления фазового перехода. Обнаружено, что при барическом воздействии на исследуемые образцы соотношение тетрагональной и моноклинной фаз изменяется.
Ключевые слова: нанопорошки, диоксид циркония, высокие давления, электропроводность.
Введение. Диоксид циркония можно отнести к одному из наиболее перспективных материалов, который находит широкое применение не только в машиностроении, энергетической, химической, авиакосмической, электронной и других отраслях промышленности, но и в медицине. При введении в структуру диоксида циркония примесей происходит стабилизация высокотемпературных фаз, что позволяет существенно влиять на свойства наноразмерных частиц диоксида циркония, в том числе и на структурные фазовые переходы. Известно, что трёхком-понентные порошки, содержащие оксиды циркония, иттрия и алюминия, образуют твёрдые растворы при температурах 600-1200 °С, с повышением температуры они распадаются при кристаллизации а-корунда [1]. Исследование проводимости как чувствительного параметра может дать информацию о возникновении фазовых переходов различного типа. Резкое изменение проводимости вблизи фазового перехода показывает, что новая фаза возникает в заведомо значительной части объёма исследуемого вещества, тогда как структурные исследования могут фиксировать локальную трансформацию фаз.
Однако недостаточно изучено влияние концентрации тетрагональной фазы на электрофизические свойства частично стабилизированного диоксида циркония при высоких давлениях.
Анализ фазового состава порошков позволяет уже на начальной стадии получения материалов прогнозировать эксплуатационные свойства изделий. Существенное значение в такой керамике и композитах имеет соотношение тетрагональной и моноклинной фаз диоксида циркония, которое может изменяться не только в зависимости от количества введённой добавки, но и от температурного и барического воздействия на материал [1].
Целью исследования является экспериментальное определение влияния состава при давлениях 20-50 ГПа на электропроводность и структуру стабилизированного диоксида циркония.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 16-02-01137.
Материалы и методы исследования. В качестве объектов исследования выбраны трёхкомпонентные порошки 80% (ZrO2+3mol% Y2O3) + 20% Al2O3, тер-мообработанные при температуре 6000С, 9000С и 16000С, со следующим соотношением тетрагональной и моноклинной фаз: Т:М = 44:56%, Т:М = 66:34% и Т: М = 82 : 18 % соответственно. Образцы получены в Институте общей и неорганической химии НАН Беларуси. Установлено, что размер кристаллитов образцов с температурами отжига 6000С и 9000С — порядка 10 нм, а у образца с температурой отжига 1600 0С — порядка 60 нм, что обусловлено твёрдофазными процессами в системе [1]. Высокое давление создавалось в камерах типа «закруглённый конус — плоскость» с наковальнями из искусственных алмазов «карбонадо» [2; 3]. Ошибка при оценке давления не превышает 10% в интервале 15-50 ГПа. Погрешность определения сопротивления — порядка 1-2%.
Результаты исследования и их обсуждение. Относительно кристаллических структур и областей стабильности диоксида циркония существует множество противоречивых результатов, что может быть связано со сложностью проведения эксперимента при высоких давлениях. Существенное влияние на фазовый состав диоксида циркония оказывает предыстория образца и одновременное сосуществование нескольких фаз. Из барических зависимостей сопротивления образцов, представленных на рис. 1, видно, что при повышении давления от 20 до 35 ГПа сопротивление образца спадает монотонно. В области давлений 35-37 ГПа происходит резкое падение сопротивления. В области давлений 44-48 ГПа на графике обнаружен минимум сопротивления, обусловленный усилением неоднородности в образцах, связанным с изменением соотношения тетрагональной и моноклинной фаз вследствие воздействия давлением.
q:
CD
X I-
о üf
et
CD X
н о
cd
20 25 30
45 50
—1—г~ 35 40 Р, ГПа
Рис. 1. Барические зависимости сопротивления при повышении давления
I 1 I 1 I 1 I 1 I 1 I 1 I 1 I 1 I 1 I 1 I
30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 Р, ГПа
Рис. 2 Барические зависимости сопротивления при понижении давления На рис. 2 представлены барические зависимости сопротивления образцов при понижении давления. Обнаружено, что при понижении давления от 50 до 46 ГПа в образцах с температурами отжига 9000 С и 16000 С сопротивление резко падает, что также можно связать с усилением неоднородности в образце и повышением концентрации моноклинной фазы настолько, что она становится преобладающей. При дальнейшем понижении давления с 46-48 до 30-32 ГПа сопротивление растёт монотонно, а затем происходит резкий рост сопротивления на несколько порядков. Таким образом, увеличение доли тетрагональной фазы в исходных образцах стабилизированного диоксида циркония приводит к смещению границы фазового перехода в сторону более низких давлений, а также к сужению области фазового перехода с увеличением доли тетрагональной фазы. То есть, изменяя фазовый состав, можно влиять на величину давления перехода, что позволит прогнозировать эксплуатационные свойства производимых керамических материалов.
Электропроводность стабилизированного диоксида циркония при давлениях 20-50 ГПа... 243
Выводы. В результате исследования установлено существование структурных изменений в образцах 80% (ZrO2+3mol% У20з)+20% Л120з с температурами отжига 600, 900 и 1600 °С в интервалах давлений 36-38 и 44-48 ГПа. Данная закономерность может быть связана с тем, что при барическом воздействии происходит искажение структуры исследуемых образцов, которое влечёт увеличение доли моноклинной фазы и образование промежуточных фаз и, как следствие, замедление фазового перехода. Однако для образца с температурой отжига 1600 °С область фазового перехода сужается, что можно объяснить твёрдофазными процессами в образце.
Список литературы
1. Исследование структуры и свойств наноструктурных композиционных порошков ZrO2-Y2O3-Al2O3 / Т. М. Ульянова, Н. П. Крутько, Л. В. Титова, Ю. Г. Зонов // Поверхность. Рентгеновс., синхротрон. и нейтрон. исслед. — 2010. — № 7. — С. 70-76.
2. Babushkin, A. N. Electrical conductivity and thermal EMF of CsI at high pressures / A. N. Babushkin // High Pressure Research. — 1992. — Vol. 6. — Р. 349-356.
3. Давление 2,5 Мегабара в наковальнях, изготовленных из алмаза типа карбонадо / Л. Ф. Верещагин, Е. Н. Яковлев, Г. Н. Степанов, К. Х. Бибаев, Б. В. Виноградов // Письма в журн. эксперимент. и теорет. физики. — 1972. — Т. 16, вып. 4. С. 240-242.
Поступила в 'редакцию 07.05.2017 После переработки 17.06.2017
Сведения об авторах
Семенова Юлия Николаевна, ведущий инженер кафедры физики конденсированного состояния и наноразмерных систем Института естественных наук и математики, Уральский федеральный университет им. первого президента России Б. Н. Ельцина, Екатеринбург, Россия; e-mail: [email protected].
Волкова Яна Юрьевна, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физики конденсированного состояния и наноразмерных систем Института естественных наук и математики, Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б. Н. Ельцина, Екатеринбург, Россия; e-mail: [email protected].
Бабушкин Алексей Николаевич, доктор физико-математических наук, профессор, директор школы наук Института естественных наук и математики, Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б. Н. Ельцина, Екатеринбург, Россия; e-mail: [email protected].
Chelyabinsk Physical and Mathematical Journal. 2017. Vol. 2, iss. 2. P. 241-244.
THE CONDUCTIVITY OF STABILIZED ZIRCONIA AT PRESSURES 20-50 GPA AT VARIOUS CONCENTRATIONS OF TETRAGONAL PHASE
Yu.N. Semenova", Ya.Yu. Volkovab, A.N. Babushkinc
Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin, Ekaterinburg, Russia
"[email protected]; [email protected]; [email protected]
The influence of initial phase composition on the value of phase transition pressure. It was discovered that the pressure effects on the studied samples, the ratio of tetragonal and monoclinic phases is changed.
Keywords: nanopowders, zirconium dioxide, high pressure, conductivity.
References
1. Ul'yanova T.M., Krut'ko N.P., Titova L.V., Zonov Y.G. A study of the structure and properties of nanostructured ZrO2-Y2O3-AL2O3 composite powders. Journal of Surface Investigation: X-Ray, Synchrotron and Neutron Techniques, 2010, vol 4, no. 4, pp. 603-608.
2. Babushkin A.N. Electrical conductivity and thermal EMF of Csl at high pressures, High Pressure Research, 1992, vol. 6, pp. 349-356.
3. Vereshchagin L.F., Yakovlev E.N., Stepanov G.N., Bibaev K.Kh., Vinogradov B.V. Davleniye 2.5 Megabara v nokoval'nyakh, izgotovlennykh iz almaza tipa karbonado [Pressure 2.5 Megabar in the anvils, made of diamond type carbonado]. Pis'ma v zhurnal eksperimental'noy i teoreticheskoy fiziki [Journal of Experimental and Theoretical Physics Letters], 1972, vol. 16, iss. 4, pp. 240-242. (In Russ.).
Accepted article received 07.05.2017 Corrections received 17.06.2017
