Научная статья на тему 'Физическая модель спекания и модифицирования керамики в высокочастотных и сверхвысокочастотных полях'

Физическая модель спекания и модифицирования керамики в высокочастотных и сверхвысокочастотных полях Текст научной статьи по специальности «Переработка природных газов, нефти, газового конденсата, их продук-тов и аналогов. Моторное топливо. Смазочные материалы»

CC BY
442
91
Поделиться

Аннотация научной статьи по химической технологии, химической промышленности, автор научной работы — Анненков Ю. М., Ивашутенко А. С.

На основании термодиффузионного механизма радиационного спекания, предложенного одним из авторов, разработана физическая модель ВЧ и СВЧ-спекания и модифицирования керамики. Теоретически показано, что мощные электромагнитные поля являются эффективным средством активированного спекания керамики, обеспечивающим значительное снижение температуры спекания и улучшение свойств керамических структур.

Текст научной работы на тему «Физическая модель спекания и модифицирования керамики в высокочастотных и сверхвысокочастотных полях»

УДК 665.65

ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СПЕКАНИЯ И МОДИФИЦИРОВАНИЯ КЕРАМИКИ В ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ И СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ПОЛЯХ

Ю.М. Анненков, А.С. Ивашутенко

Томский политехнический университет E-mail: Annenkov_tpu@mail.ru

На основании термодиффузионного механизма радиационного спекания, предложенного одним из авторов, разработана физическая модель ВЧ и СВЧ-спекания и модифицирования керамики. Теоретически показано, что мощные электромагнитные поля являются эффективным средством активированного спекания керамики, обеспечивающим значительное снижение температуры спекания и улучшение свойств керамических структур.

Введение

Прежде всего, дадим определения основных понятий о структуре керамики, которыми авторы будут пользоваться в настоящей статье. Как известно, керамика состоит из трех фаз [1]: кристаллической, которую разные авторы называют кристаллитами или зернами [2]; аморфной, локализованной в пространстве между зернами (кристаллитами), называемой межзеренной областью (МЗО), и газовой, заполняющей поры различного размера. Под гомогенизацией структуры керамики понимается растворение аморфной и газовой фаз в кристаллической.

Разработка технологии наноматериалов и их исследование является актуальным научно-техническим направлением, поскольку позволяет получить материалы с уникальными свойствами.

Для создания керамики с нанокристаллически-ми зернами необходимо выполнить два основных условия:

• при компактировании изделий использовать

нанопорошки,

• при спекании максимально снизить скорость

рекристаллизационного процесса.

Для выполнения второго условия следует уменьшить температуру и время спекания. Наиболее просто это требование выполняется при спекании керамики в мощных высокочастотных (ВЧ) или сверхвысокочастотных (СВЧ) полях [3-6].

Так, например, ВЧ-спекание керамики проводилось с помощью ВЧ-генераторов мощностью 20...30 кВт на частоте 40,68 МГц [3, 4]. При спекании оксидной керамики в СВЧ-поле использовались магнетронные печи мощностью 5.10 кВт на частоте 2,45 ГГц, что позволяло вести технологический процесс при температурах до 1900 °С [5, 6]. Отметим, что ВЧ и СВЧ-спекание развивается по идентичным законам и приводит к близким результатам.

Выполненные различными авторами исследования свидетельствуют о преимуществах новых ВЧ, СВЧ-технологий спекания, что проявляется в снижении температуры спекания на 200. 300 °С [5]; получении мелкокристаллической структуры при одновременном улучшении эксплуатационных свойств [6].

Представленные данные позволяют заключить, что спекание керамики в мощных ВЧ, СВЧ-полях является весьма технологичным и эффективным методом получения керамики с улучшенными свойствами. К сожалению, механизм этого явления до настоящего времени не разработан. На основании изложенного формулируется цель настоящей работы в следующем виде.

Используя поверхностно-рекомбинационный механизм радиационного стимулирования твердофазных реакций, предложенный одним из авторов статьи [7], показать перспективность термодиффузионной концепции в описании процессов ВЧ и СВЧ-спекания и модифицирования оксидной керамики.

Термодиффузионный механизм ускорения массопереноса в керамике и порошковых компактах при воздействии мощных ВЧ и СВЧ-полей

Модель ускоренного массопереноса в керамических структурах и порошковых компактах при воздействии на них электромагнитных полей заключается в следующем:

1. Нагрев диэлектрика, помещенного в переменное электрическое поле, характеризуется удельной мощностью диэлектрических потерь [8]:

W = E 2ffl££0tg5.

(1)

Используя (1), получаем выражение для температуры диэлектрического нагрева материала в электромагнитном поле [9]:

T =

a E s0s tg<5

Кто S

1-e

(2)

где а - круговая частота поля (рад/с), Е - напряженность электрического поля (В/м), е0=8,85.10-12 Ф/м - диэлектрическая постоянная, е - относительная диэлектрическая проницаемость, tg5- тангенс угла диэлектрических потерь, КТО - коэффициент теплоотдачи образца (Вт/м2.К), £ - поверхность образца (м2), с„ - теплоемкость образца (Дж/кгК), I - время нагрева.

2. Области вещества, находящиеся вблизи внутренних поверхностей гетерогенных структур, обладая повышенной дефектностью [10], имеют более

высокие диэлектрические потери(%,1^5М), чем объем (е0^5). По этой причине межфазные области перегреваются сильнее остального объема, что приводит к возникновению градиента температуры УТ=ТМ-ТЗ, где ТМ - температура межфазной (межзеренной) области, ТЗ - температура кристаллического зерна. При определенных условиях температурные градиенты могут вызывать движение атомов в дополнении к концентрационной диффузии. Этот процесс носит название термодиффузии [11].

3. Выражение для потока мигрирующих частиц /-типа в твердом теле имеет вид [11]:

з = - д I уд +

пр ~кТ

(3)

где Д, щ - парциальный коэффициент диффузии и концентрация диффундирующих частиц, ¥ - движущая сила диффузии, определяемая действием механических, тепловых или электрических напряжений.

Первый член ур. (3) характеризует классическую диффузию, обусловленную градиентом концентрации атомов (Ущ), второй - описывает диффузию, обусловленную физическими полями. Мы считаем, что максимальный вклад в высокотемпературный массопереренос вносят термические градиенты в локальных областях материала. Тогда из общей теории термодиффузии [11] следует выражение для термодиффузионной составляющей потока вещества: БпЯУТ

кТ2

(4)

где п<2/кТ есть термодиффузионное соотношение, а 2 - теплота переноса.

Таким образом, теоретическое обоснование термодиффузионного механизма приводит к выводу, что в гетерогенных структурах при импульсном ВЧ, СВЧ-облучении на границах раздела фаз возникают локальные градиенты температуры (У 7), которые обуславливают появление термодиффузионных потоков (/Т), способных значительно ускорить твердофазные реакции. В этом состоит сущность термодиффузионного механизма высокотемпературного активированного массопереноса под действием электромагнитных полей. Ниже будут представлены обоснования данного механизма и следствия, из него вытекающие.

Локальные температурные градиенты в керамике

при воздействии ВЧ, СВЧ-полей

Как было показано в предыдущем разделе, в керамике и порошковых компактах энергия диэлектрических потерь преимущественно выделяется в области межзеренных и межфазных границ и вызывает их интенсивный разогрев. Проведем расчет тепловых градиентов в пограничных зонах, разделяющих кристаллические зерна (кристаллиты) и дефектные межзе-ренные области в керамических структурах.

Модель рассматриваемого процесса представляется в следующем виде.

2.

Кристаллическое зерно моделируется шаром радиусом ЛЗ, окруженным межзеренным веществом толщиной 5.

Энергия диэлектрических потерь выделяется в шаровом теле радиусом (ЛЗ+5), преимущественно в слое 5 за счет высокой дефектности. Данная модель лучше всего соответствует те-плофизической задаче нагревания шара, когда температура его поверхности есть линейная функция времени ТО=Т0+Ы, где Ь - скорость нагрева поверхности шара [12].

В этом случае дифференциальное уравнение теплопроводности имеет вид [12]:

дТ (г, г)

дг

= а

д2Т (г, г) + 2дТ (г, г)

дг2

гдг

(5)

где Т(г,/), г, ¡, - текущие значения температуры, радиуса шара и времени, а - коэффициент температуропроводности. Краевые условия задачи формулируются следующим образом: Т(г,0)=Т0=сош1:;

дТ(0,г) = 0- 7(0,0*»; Тп(Я,Р)=Т0+Ы. дг

На основании работы [12] получено решение

ур. (5):

Т = Ы--

ЬЯ2

'1 - 4 Т

V Яз

(6)

В соответствии с моделью, скорость нагревания поверхности шарового тела (Ь) равняется скорости нагревания межзеренной (МЗ) области и задается мощностью диэлектрических потерь (Жш) в этой области:

Ь = 2^мо Я,/ 3с,,5 '

(7)

где с„=750 Дж/кг.К - удельная теплоемкость корундовой керамики, член 2ЯЗ/38 в (7) учитывает преимущественное выделение энергии диэлектрических потерь в МЗ-области; выражение для Ь получено из определения теплоемкости материала.

Дифференцированием выражения (6) по г получена аналитическая формула для определения температурных градиентов в модельном зерне при ВЧ и СВЧ-облучении:

2W Я г

УТ = МО"з'

" 9ас,5 '

(8)

При изменении текущей сферической координаты г градиенты температуры в шаре увеличиваются от 0 до максимальных значений при г=ЯЗ. Из (8) получаем:

2W Я

ДТ = МО^З

9ас,5

(9)

где WMO = Е2£м°£°1ё5м°Ю - удельная мощ-Р

ность диэлектрических потерь в МЗ-области на единицу массы модельного образца (Вт/кг), р - плотность образца (кг/м3).

Нагрев неоднородного образца осуществляется за счет преимущественного нагревания межзерен-ных (приповерхностных) областей на границах фаз, в соответствии с ур. (9). Возникают температурные градиенты, достигающие значений 5...10.106 град/м, что получено при следующих параметрах ур. (9): ЖМО=40 кВт/кг, ЛЗ=20 мкм, с=750 Дж/кгК, а=2.10-9м2/с, 5=0,5 мкм.

Мы рассматриваем теплоперенос в микрообластях вблизи межзеренных границ. В этом случае вряд ли правомерно пользоваться значениями температуропроводности, полученными на макрообразцах. Это положение аргументируется чрезвычайно высокой дефектностью вещества, находящегося в межзеренной области. Так, для аморфных материалов теплопроводность на несколько порядков ниже, чем для кристаллов такого же состава [12]. На основании изложенного, при расчетах температурных градиентов вблизи межзеренных границ использовалось значение а=1...5.10-9 м2/с.

Отметим, что при импульсном ВЧ или СВЧ-облучении возникает ситуация, аналогичная действию поверхностно-рекомбинационного механизма ускорения массопереноса при электронном облучении керамики [7]. Разница заключается в причине возникновения градиентов температуры: при радиационном возбуждении это энергия, выделяемая при рекомбинации электронных возбуждений, а при ВЧ, СВЧ- воздействии - это энергия диэлектрических потерь.

Таким образом, при воздействии на керамические структуры ВЧ или СВЧ-полей, на границах раздела фаз с разным уровнем диэлектрических потерь возникают локальные градиенты температуры, которые обуславливают появление термодиффузионных потоков (1Т), стимулирующих твердо -фазные реакции. Для последующих выкладок воспользуемся результатами работы [13].

Гомогенизация керамических структур

Как было указано ранее, под гомогенизацией керамической структуры понимается процесс растворения примесных и поровых фаз под действием мощного радиационного воздействия, что делает структуру керамики более однородной [7]. Это явление было установлено методом рентгенострук-турного анализа в экспериментах по радиационному растворению примесных паразитных фаз в высокотемпературных сверхпроводниках типа 1-2-3 [14]. Данный эффект удовлетворительно описывается с позиций термодиффузионного механизма ускоренного массопереноса в керамике.

Межзеренные области (фазы) представляют собой наиболее дефектные части керамической струк-

туры, в большинстве случаев имеющие аморфное строение и содержащие различные примеси. Именно эти образования резко ухудшают свойства практически всех типов керамики [13] и требуют оптимизации своего строения при внешних воздействиях. По теоретическим представлениям оптимальные МЗО должны представлять собой тонкие прослойки с химическим составом, близким к составу кристаллического зерна [10]. Покажем возможность использования ВЧ, СВЧ-облучения керамики для оптимизации структуры межзеренных областей.

Модель процесса рассматривается в следующем виде.

1. Кристаллическое зерно представляется как многогранник, окруженный межзеренной областью толщиной 5. Эффективный размер зерна определяется радиусом шара (ЛЗ), вписанного в многогранник. Сечение отдельного зерна, окруженного межзеренной областью, приведено на рис. 1. Это сечение рассматривается как равносторонний шестиугольник, поскольку такая фигура является равновесной для керамического зерна [10].

2. Энергия диэлектрических потерь выделяется в шаровом теле радиусом (ЛЗ+5), преимущественно в слое 5 ввиду высоких значения tg5.

3. Температурные градиенты между МЗ-областью и зерном стимулируют термодиффузионный поток атомов из более нагретой МЗ-области в зерно, как это показано на рис. 1.

4. Термодиффузионное растворение МЗ-области вызывает ее утончение, когда избыточные вакансии выносятся на внешнюю поверхность и стимулирует встречный поток атомов зерна, обеспечивая выравнивание химического соста-

керамических структурах по термодиффузионному механизму

Действительно, для рассматриваемого случая общее выражение диффузионного потока частиц складывается из концентрационного (/„) и термического (/Т) компонентов:

п ОУТ

3 = Зп + Зт =- В1 (V п (10)

где 1Т вычисляется по формуле (4), а 1П есть поток частиц, определяемый градиентом концентрации частиц ^н,), который возникает за счет термодиффузии во время ВЧ, СВЧ-воздействия.

Из ур. (10) следует, что при малых временах облучения — = 102...103. Поэтому на начальных стадиях облучения встречные концентрационные потоки межзеренного вещества, ввиду своей малости, не могут исказить результаты термодиффузии, что приводит к утончению МЗО, выводу избыточной вакан-сионной дефектности на поверхность образца и, как следствие - к уменьшению пористости керамики.

При больших временах электромагнитного воздействия на керамические образцы термодиффузионный и концентрационный потоки выравниваются, при этом концентрационный поток состоит, в основном, из атомов, формирующих зерно.

Следовательно, при ВЧ и СВЧ-воздействиях, наряду с утончением межзеренной области, происходит гомогенизация структуры керамики - примесная фаза межзеренной области частично заменяется веществом кристаллического зерна.

Таким образом, важным результатом ВЧ, СВЧ-воздействия на керамические структуры является растворение МЗ-области и приближение ее химического состава к составу зерна. Другими словами, происходит гомогенизация структуры керамики.

Из формул (4) и (8) следует выражение для оценки скорости растворения межзеренных образований. Для этого необходимо поделить термодиффузионный поток через межзеренную границу на исходную концентрацию атомов И, заполняющих МЗ-область. При этом считаем, что «-N/3. В итоге получаем следующее выражение для скорости гомогенизации:

V =

2Б£Жио К32Г 9са8кТ2 '

(11)

нок в одну. Термодинамическая целесообразность переноса вещества в область контактного перешейка (в направление стрелок на рисунке), обусловлена тем, что слияние двух частичек в одну сопровождается уменьшением общей поверхности системы и, следовательно, ее поверхностной энергии.

Из формулы (11) следует, что облучение керамики мощным электромагнитным излучением (^мо~40 кВт) при температуре 1000 К вызывает растворение межзеренных областей за десятки минут. Этот результат близок к экспериментальному времени радиационного растворения примесных фаз в высокотемпературных сверхпроводниках [12].

Спекание керамики в ВЧ, СВЧ-поле

Процесс спекания порошковых компактов состоит из двух стадий: образование керамического каркаса (припекание порошинок) и залечивание (растворение) пор. Рассмотрим каждую из этих стадий.

1. Припекание порошинок друг к другу.

Рассмотрим данный процесс в условиях, не усложненных облучением электромагнитным излучением. На рис. 2 приведена схема этого процесса. При высокой температуре под действием давления, обусловленного кривизной поверхности [10], в области контакта начинает образовываться перешеек, который со временем спекания вырастает до размеров, достаточных для слияния двух пороши-

Рис. 2. Схема припекания частиц порошка друг к другу

Действительно, вблизи вогнутой поверхности концентрация вакансий (£ВОГ) больше, чем около выпуклой (£ВЫП) [10]. Это обуславливает градиент

£

концентраций вакансий (У£ = вог ^выппод

к

действием которого атомы вещества мигрируют в область перешейка. Здесь Я - радиус порошинки.

Тогда, для потока атомов в область перешейка запишем:

—1 =

Цс

где 03 = 0екТ - коэффициент поверхностной

диффузии атомов, а и0 - энергия активации диффузии атомов.

При спекании порошка в условиях ВЧ, СВЧ-облучения, дополнительно к рассмотренным, идут следующие процессы. Область вблизи поверхности кристаллических порошинок обладает повышенным содержанием вакансий [10]. Это приводит к увеличенным значениям tg5, что вызывает дополнительный нагрев в электромагнитных полях. Таким образом, приповерхностные затемненные области порошинок (рис. 2) будут нагреваться, а, значит, и расширяться сильнее, чем остальная часть материала.

В результате возникают термоупругие напряжения, для компенсации которых вакансии мигрируют в холодную часть образца, что эквивалентно притоку диффундирующих атомов в реакционную зону спекания (показано стрелками на рис. 1). Таким образом, происходит термодиффузионное припекание порошинок друг к другу.

2. Активация растворения пор в керамической структуре по термодиффузионному механизму при ВЧ, СВЧ-воздействии.

На второй стадии термического спекания движущей силой является уменьшение поверхностной энергии образца за счет уменьшения внутренней поверхности системы при растворении пор. В дополнении к этому механизму при ВЧ, СВЧ-спека-

нии реализуется термодиффузионный механизм, суть которого заключается в следующем.

На рис. 3 представлена схема керамического зерна в виде сферы радиусом ДЗ, в центре которой расположена сферическая пора с радиусом Д. Как указывалось ранее, область зерна, окружающая пору (на рис. 3 затемнена), содержит более высокую концентрацию вакансий [10], что обеспечивает ее перегрев относительно объема зерна в электромагнитных полях и, как следствие, возникновение термодиффузионных потоков.

J =

J 3 =

2Wno R32 D n Q 9kT 2cvar8 '

2Wno R32 DnQ 9kT 2cva3S '

(12)

(13)

Запишем условие залечивания поры в виде:

свч = , (14)

где ¥ё - площадь поверхности и объем поры, /ВЧСВЧ - время облучения.

Из соотношения (14), при условии И&п, следует:

tB

6cvaSRdkT2

о^К К

На основании теории Я.Е. Гегузина [10] время термического растворения поры определяется следующим образом:

Я, 3кТ

t =—^-

т 6Д.аО'

где а - поверхностная энергия, О - объем атома.

Эффективность залечивания поры в ВЧ, СВЧ-поле находится из соотношения:

^ = я, 2 Я3 х0е

tB4 свч 36aQcvaST '

Рис. 3. Схема растворения поры в керамическом зерне по термодиффузионному механизму

В соответствии с термодиффузионным механизмом для плотности потоков термодиффузии в пору (1^) и в объем зерна (/З) имеем, см. формулы (4, 9):

Оценки показывают, что для корундово-цирко-

ниевои керамики отношение

tB

где WПО - мощность диэлектрических потерь в приповерхностной области вокруг поры (затемненная область на рис. 3), аг и а3 - соответственно коэффициенты температуропроводности газа в поре и керамического зерна.

Перенос тепла в газе во много раз хуже, чем в любом твердом теле. Поэтому применительно к рассматриваемой модели имеем аг<<аз. Следовательно, из формул (12, 13) следует, что поток вещества в пору (/¿) намного превосходит встречный поток (/З), что будет обеспечивать интенсивное зарастание поры.

«100, т.е. ВЧ,

1 вч, свч

СВЧ-растворение пор представляется эффективным технологическим приемом уменьшения пористости керамики, что благотворно сказывается на ее свойствах. Предложенные формулы качественно объясняют результаты по высокочастотному и микроволновому спеканию керамики [3-6].

Заключение

Предложена физическая модель процесса спекания и модифицирования керамики под действием мощных высокочастотных и сверхвысокочастотных полей. Основу модели составляет термодиффузионный механизм ускорения массоперено-са в керамике и порошковых компактах при их облучении ВЧ или СВЧ-излучением. Теоретически показано, что мощные электромагнитные поля являются эффективным средством активированного спекания керамики, обеспечивающим значительное снижение температуры спекания и улучшение свойств керамических структур.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кингери У.Д. Введение в керамику / Пер. с англ. - М.: Иностранная литература, 1962. - 584 с.

2. Андриевский Р.А. Получение и свойства нанокристаллических тугоплавких соединений // Успехи химии. - 1994. - Т. 63. -№ 5. - С. 431-448.

3. Бердов Г.И., Полев С.А., Шустов З.С. Интенсификация твердофазных реакций синтеза пьезокерамики действием электрического поля высокой частоты / В кн.: IV Всес. совещ. по химии твердого тела. Тезисы докл. - Ч. 2. - Свердловск: УНЦ АН СССР, 1985. - С. 45.

4. Рогов И.И., Плетнев П.М. Высокочастотное стимулирование термических реакций в керамических материалах // Радиа-

ционно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах: Труды III Междунар. конф. - Томск, 2002. -С. 184-187.

5. Суворов В.А., Туркин И.А., Дедовец М.А. Микроволновый синтез корундо-циркониевых материалов // Огнеупоры и техническая керамика. - 2002. - № 10. - С. 4-12.

6. Park S.S., Meek T.T. Characterization of ZrO2-Al2O3 composites sintered in a 2,45 GHz electromagnetic field // J. of Materials Science. - 1991. - V. 26. - Р. 251-256.

7. Анненков Ю.М. Физические основы высокотемпературного электронно-лучевого модифицирования керамических диэлектриков // Известия вузов. Физика. - 1996. - № 11. -С. 176-192.

8. Тареев Б.М. Физика диэлектрических материалов. - М.: Энер-гоиздат, 1982. - 320 с.

9. Буль Б.К., Буткевич Г.В. и др. Основы теории электрических аппаратов. - М.: Высшая школа, 1970. - 378 с.

10. Гегузин Я.Е. Физика спекания. - М.: Наука, 1967. - 360 с.

11. Чеботин В.Н. Физическая химия твердого тела. - М.: Химия, 1982. - 320 с.

12. Лыков А. В. Теория теплопроводности. - М.: Высшая школа, 1967. - 599 с.

13. Анненков Ю.М. Дефектообразование и массоперенос в ионных структурах при мощном ионизирующем облучении: Дис. на соискание ученой степени доктора физ.-мат. наук. - Томск, 2002. - 418 с.

14. Анненков Ю.М., Суржиков А.П., Притулов А.М. и др. Радиационная технология иттрий-бариевых купратов // Высокотемпературная сверхпроводимость. - Томск, 1990. - С. 73-85.

УДК 666.7:537

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОРУНДО-ЦИРКОНИЕВОЙ КЕРАМИКИ

Ю.М. Анненков, А.В. Кабышев, А.С. Ивашутенко, И.В. Власов

Томский политехнический университет E-mail: Annenkov_tpu@mail.ru

Выполнен комплекс работ по изучению электрических свойств корундо-циркониевой керамики в широком интервале температур. Для данной керамики с преобладанием диоксида циркония обнаружен новый эффект, заключающийся в высокотемпературном максимуме диэлектрической проницаемости со значениями в несколько миллионов. Предложено вероятное объяснение этого эффекта.

Введение

Техника сегодняшнего дня требует создания нового поколения электроизоляционных материалов, работающих в экстремальных условиях. Наиболее перспективными в этом плане следует считать керамические материалы на основе стабилизированного диоксида циркония ^Ю2^203) и оксида алюминия (А1203), структура и механические свойства которых изучены весьма подробно [1-3]. Однако, тройная система ^Ю2^203)-А1203, имеющая название корундо-цирко-ниевая керамика (КЦК), практически не исследована.

Керамика из стабилизированного диоксида циркония, в силу уникального свойства сопротивляться распространению трещин за счет полиморфных превращений, относится к разряду инструментальных или конструкционных материалов, в которых функционально главными являются механические свойства [2].

Другой особенностью корундо-циркониевой керамики с преобладанием диоксида циркония является её высокая анионная проводимость при температурах выше 1000 К, что позволяет отнести этот вид материала к высокотемпературным суперионным проводникам, имеющим большое применение в энергетике. В частности, твердый раствор ZrO2-Y2O3 уже давно используется в качестве электролита при создании топливных элементов [4]. Поэтому исследование диэлектрических характеристик КЦК представляет собой важную проблему, как в научном, так и в практическом плане.

В связи со сказанным, целью работы является изучение в широком температурном интервале электрических свойств керамики на основе тройных оксидных систем ^Ю2^203)-А1203.

Экспериментальные результаты

Нами выполнены исследования электропроводности (у) и относительной диэлектрической проницаемости (е) на частотах 1 кГц и 1 МГц в интервале температур 300...1700 К для КЦК различного состава: 100 %1 ^Ю2 - 3 % Y2O3); 80 % ^Ю2 -3 % Y2O3) - 20 % А1203; 50 % ^Ю2 - 3 % Y2O3) -50 % А1203; 20 % (Й02 - 3 % Y2O3) - 80 % А1203; 100 % А1203. В данной статье представлены результаты измерений только для двух составов КЦК: 80 % ^Ю2 - 3 % Y2O3) - 20 % А1203 и 100 % А1203. Результаты исследований остальных составов анализируются на качественном уровне.

Измерения указанных характеристик проводились при давлении ~100 Па на установке, описанной в [5]. Регистрация электрофизических параметров керамики осуществлялась мостами Е7-8 и Е7-12, прошедшими метрологическую аттестацию.

Кроме того, изучены вольтамперные характеристики (ВАХ) для корундо-циркониевой керамики состава 80 % ^Ю2 - 3 % Y2O3) - 20 % А1203 и для корунда.

На рис. 1 представлены результаты указанных измерений для КЦК состава 80 % ^Ю2 - 3 % Y2O3) - 20 % А1203 и для корундовой керамики.

Из рис. 1, а, следует, что в температурном ходе при частоте 1 кГц диэлектрическая проницаемость проходит через максимум в области 1250 К (кривая 1). При этом, емах=2,2.106. Этот результат и представляет научную новизну данной работы, поскольку столь высокие значения диэлектрической проницаемости даже для сегнетоэлектриков нам не известны. Увеличение частоты приводит к смещению максимума е в область низких температур и

1 Здесь и далее по тексту концентрация приведена в мас. %