chemicallytechFine Chemical TechnologiesТонкие химические технологии2410-65932686-7575MIREA – Russian Technological University (RTU MIREA).10.32362/2410-6593-2021-16-1-55-66chemicallytech-1686Research ArticleCHEMISTRY AND TECHNOLOGY OF INORGANIC MATERIALSХИМИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ НЕОРГАНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВNeutron-diffraction study of the cubic-tetragonal phase structural transition in the single crystals of the solid solutions of zirconium and yttrium oxidesНейтронографическое исследование структурного перехода кубическая–тетрагональная фаза в монокристаллах твердых растворов оксида циркония с оксидом иттрияСаринВ. А.SarinV. A.

Сарин Виктор Анатольевич, к.ф.-м.н., ведущий инженер НИИ материалов твердотельной электроники. Scopus Author ID 7005455400

119454, Москва, пр-т Вернадского, д. 78

Viktor A. Sarin, Cand. Sci. (Phys.–Math.), Leading Engineer, Research Institute of Solid-State Electronics Materials. Scopus Author ID 7005455400

78, Vernadskogo pr., Moscow, 119454

vic.fet@yandex.comhttps://orcid.org/0000-0003-3990-9847БушА. А.BushA. A.

Буш Александр Андреевич, д.т.н., профессор, директор НИИ материалов твердотельной электроники. Scopus Author ID 7201882802, Researcher ID R-2287-2016

119454, Москва, пр-т Вернадского, д. 78

Alexander A. Bush, Dr. Sci. (Eng.), Professor, Director of the Research Institute of Solid-State Electronics Materials. Scopus Author ID 7201882802, Researcher ID R-2287-2016

78, Vernadskogo pr., Moscow, 119454

aabush@yandex.ruМИРЭА – Российский технологический университетРоссияMIREA – Russian Technological UniversityRussian Federation2021180320211615566Copyright © Sarin V.A., Bush A.A., 20212021Сарин В.А., Буш А.А.Sarin V.A., Bush A.A.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.finechem-mirea.ru/jour/article/view/1686Objectives

Objectives. The determination of the phase relations, crystallographic characteristics, microstructure features, and atomic crystal structure of zirconium oxide crystals that are partially and completely stabilized by yttrium oxide additives, and the identification of the crystallographic and crystal-chemical correlations with the physicochemical properties of single crystals.

Methods

Methods. The neutron structure of the crystals was studied using the neutron time-of-flight and constant wavelength methods using a high-resolution Fourier diffractometer on the IBR-2 pulsed fast reactor and a four-circle neutron diffractometer “Syntex.” Single crystals were grown by directed crystallization from the melts of mixtures (1 − х)ZrO2 ∙хY2O3 , х = 0.03 and х = 0.12 with different growth rates (10 and 40 mm/h).

Results

Results. It was observed that when growing single crystals with x = 0.03–0.05, the crystal was stratified into cubic and tetragonal phases, and the ratio between the phases depended on the growth rate. At a growth rate of 40 mm/h, the content of the cubic phase was insignificant. In the crystals of partially stabilized zirconium dioxide (ZrO2) with the additions of 3 mol % Y2O3, the coherent coexistence of cubic and tetragonal phases was established, and the twin law for a tetragonal component (rotation of unit cell axis by 90° around the a (b) axis) that was observed during the phase transition from high-temperature cubic phase to tetragonal phase was determined. For the fully stabilized zirconium oxide of the cubic symmetry (with 12 mol % Y2O3), the 0.3 Å displacements of oxygen atoms from their partial structural positions in the directions [100] and [111] were determined. These displacements correlated with the directions of the ion transport.

Conclusions

Conclusions. Previous studies have shown that the ratio between the cubic and tetragonal phases of the single crystals of the ZrO2 –Y2O3 system depends on the growth rate of the single crystals. The content of Y2O3 in the cubic and tetragonal phases of a single crystal was determined using the non-destructive neutronography method on the same volume sample of a solid solution of this system. Moreover, the displacements of oxygen atoms from the main position of the crystal were determined.

Цели

Цели. Определение фазовых соотношений, кристаллографических характеристик, особенностей микроструктуры и атомно-кристаллической структуры кристаллов оксида циркония, частично и полностью стабилизированных добавками оксида иттрия, выявление кристаллографических и кристаллохимических корреляций с физико-химическими свойствами монокристаллов.

Методы

Методы. Нейтроноструктурные исследования кристаллов проведены методами времени пролета нейтронов и постоянной длины волны с использованием Фурье дифрактометра высокого разрешения на импульсном быстром реакторе ИБР-2 и четырехкружного нейтронного дифрактометра «Синтекс». Монокристаллы были выращены направленной кристаллизацией из расплавов смесей (1 – х)ZrO2 ∙хY2O3 , х = 0.03 и 0.12 с разными скоростями роста (10 и 40 мм/ч).

Результаты

Результаты. Установлено, что при выращивании монокристаллов с х = 0.03–0.05 происходит расслоение кристалла на кубическую и тетрагональную фазы, соотношение между которыми зависит от скорости выращивания. При скорости роста 40 мм/ч содержание кубической фазы незначительно. В кристаллах частично стабилизированного диоксида циркония ZrO2 (c добавками 3 mol % Y2O3) установлено когерентное сосуществование кубической и тетрагональной фаз и определен закон двойникования для тетрагональной компоненты (вращение осей элементарной ячейки на 90° вокруг осей a (b)), возникающего при фазовом переходе из высокотемпературной кубической фазы в тетрагональную. Для полностью стабилизированного диоксида циркония кубической симметрии (с 12 mol % Y2O3) определены смещения атомов кислорода на 0.3 Å из их частных структурных позиций в направлениях [100] и [111]. Эти смещения коррелирует с направлениями ионного транспорта.

Выводы

Выводы. Исследования показали, что соотношение между кубической фазой и тетрагональной фазой монокристаллов системы ZrO2 –Y2O3 зависит от скорости выращивания монокристаллов. На одном и том же объемном образце твердого раствора этой системы неразрушающим методом нейтронографии определено содержание Y2O3 и в кубической, и в тетрагональной фазе монокристалла. Определены смещения атомов кислорода из основной позиции кристалла.

стабилизированные оксидом иттрия кристаллы ZrO2нейтроноструктурный анализмикроструктура кристалловатомно-кристаллическая структураyttrium oxide-stabilized ZrO2 crystalsneutron structure analysiscrystal microstructureatomic crystal structureИсследование выполнено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ: проект FSFZ-0706-2020-0022.The study was supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation: project FSFZ-0706-2020-0022.ReferencesNerst W. Electrical glow light: US Patent 623.811. Appl. 02.10.1897.Nerst W. Electrical glow light: US Patent 623.811. Appl. 02.10.1897.Кузьминов Ю.С., Ломонова Е.Е., Осико В.В. Тугоплавкие материалы из холодного тигля. М: Наука; 2004. 372 с. ISBN 5-02-002820-7Kuz’minov Yu.S., Lomonova E.E., Osiko V.V. Tugoplavkie materialy iz kholodnogo tiglya (Refractory Materials from Cold Crucible). Moscow: Nauka; 2004. 372 р. (in Russ.). ISBN 5-02-002820-7Scott H.G. Phase relationships in the yttria-rich part of the yttria-zirconia system. J. Mater. Sci. 1977;12(2):311–316. https://doi.org/10.1007/BF00566272Scott H.G. Phase relationships in the yttria-rich part of the yttria-zirconia system. J. Mater. Sci. 1977;12(2):311–316. https://doi.org/10.1007/BF00566272Yashima M., Ishizawa N., Yoshimura M. In: Science and Technology of Zirconia. Conference Proceedings. Vol. V. Badwal S.P.S., Bannister M.J., Hannink R.H. (Eds.). Lancaster: Technomic Publishing. 1993. P.125–135. ISBN 1566760739.Yashima M., Ishizawa N., Yoshimura M. In: Science and Technology of Zirconia. Conference Proceedings. Vol. V. Badwal S.P.S., Bannister M.J., Hannink R.H. (Eds.). Lancaster: Technomic Publishing. 1993. P.125–135. ISBN 1566760739.Swain M.V. Grain-size dependence of toughness and transformability of 2 mol % Y-TZP ceramics. J. Mater. Sci. Lett. 1986;5(11):1159–1162. https://doi.org/10.1007/BF01742233Swain M.V. Grain-size dependence of toughness and transformability of 2 mol % Y-TZP ceramics. J. Mater. Sci. Lett. 1986;5(11):1159–1162. https://doi.org/10.1007/BF01742233Borik M.A., Bublik V.T., Vishnyakova M.A., Lomonova E.E., Myzina V.A., Tabachkova N.Yu., Timofeev A.A. Structure and Phase Composition Studies of Partially Stabilized Zirconia. J. Surface Investig. X-ray, Synch. Neutron Tech. 2011;5(1):166–171. https://doi.org/10.1134/S1027451011020042Borik M.A., Bublik V.T., Vishnyakova M.A., Lomonova E.E., Myzina V.A., Tabachkova N.Yu., Timofeev A.A. Structure and Phase Composition Studies of Partially Stabilized Zirconia. J. Surface Investig. X-ray, Synch. Neutron Tech. 2011;5(1):166–171. https://doi.org/10.1134/S1027451011020042Chan C.-J., Lange F.F., Ruhle M., Jue J.-F., Virkar A.V. Ferroelastic Domain Switching in Tetragonal Zirconia Single Crystals—Microstructural Aspects. J. Am. Ceram. Soc. 1991;74(4):807–813. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1991.tb06929.xChan C.-J., Lange F.F., Ruhle M., Jue J.-F., Virkar A.V. Ferroelastic Domain Switching in Tetragonal Zirconia Single Crystals—Microstructural Aspects. J. Am. Ceram. Soc. 1991;74(4):807–813. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1991.tb06929.xAksenov V.L., BalagurovA.M., Simkin V.G., BulkinA.P., Kudrjashev V.A., Trounov V.A., Antson O., Hiismaki P., Tiitta A. Performance of the High Resolution Fourier Diffractometer at the IBR-2 Pulsed Reactor. J. Neutron Res. 1997;5(4):181–200. https://doi.org/10.1080/10238169708200223Aksenov V.L., BalagurovA.M., Simkin V.G., BulkinA.P., Kudrjashev V.A., Trounov V.A., Antson O., Hiismaki P., Tiitta A. Performance of the High Resolution Fourier Diffractometer at the IBR-2 Pulsed Reactor. J. Neutron Res. 1997;5(4):181–200. https://doi.org/10.1080/10238169708200223Балагуров А.М., Бобриков И.А., Бокучава Г.Д., Журавлёв В.В., Симкин В.Г. Корреляционная фурье-дифрактометрия: 20-летний опыт эксплуатации на реакторе ИБР-2. Физика элементарных частиц и атомного ядра. 2015;46(3):454–501.Balagurov A.M., Bobrikov I.A., Bokuchava G.D., Zhuravlev V.V., Simkin V.G. Correlation Fourier Diffractometry: 20 Years of Experience at the IBR-2 reactor. Fizika elementarnykh chastits i atomnogo yadra = Physics of Elementary Particles and Atomic Nuclei. 2015;46(3):454–501 (in Russ.).Georgiev D., Nietz V.V., Petukhova T.B., Sirotin A.P., Yakovlev A.A. Spectrometer for Neutron Studies of Condensed Matter with a Pulsed Magnetic Field. J. Neutron Research. 1997;5(3):109–122. https://doi.org/10.1080/10238169708200217Georgiev D., Nietz V.V., Petukhova T.B., Sirotin A.P., Yakovlev A.A. Spectrometer for Neutron Studies of Condensed Matter with a Pulsed Magnetic Field. J. Neutron Research. 1997;5(3):109–122. https://doi.org/10.1080/10238169708200217Георгиев Д., Петухова Т.Б., Сарин В.А., Дудка А. П. Система управления трехкружным гониометром и регистрации нейтронных спектров при исследовании монокристаллов методом дифракции по времени пролета. В сб.: Тезисы докладов 2-й национальной конференции РСНЭ-99. Москва, 23–27 мая 1999 г. М.: Изд-во ИК РАН; 1999. С. 430.Georgiev D., Petukhova T.B., Sarin V.A., Dudka A.P. A system for controlling a three-circle goniometer and recording neutron spectra in the study of single crystals by time-of-flight diffraction. In: Proceedings Second National Conference of RSNE-99, Moscow, May 23–27, 1999. P. 430 (in Russ.).Кодесс Б.Н., Сарин В.А. Нейтронный дифрактометр для определения структурных характеристик монокристаллов. Измерительная техника. 2014;(11):51–54.Kodess B.N., Sarin V.A. A Neutron diffractometer for determining the structural characteristics of single crystals. Meas. Tech. 2015;57(11):1299–1303. https://doi.org/10.1007/s11018-015-0624-3Robertson T., Graf H.A., Michaelsen R., Vorderwisch (Eds.) Neutron-scattering. Instrumentation at the Research Reactor BER II. Berlin Neutron Scattering Center (BENSC); 1996. 55 p. Available from: https://inis.iaea.org/search/search.aspx?orig_q=RN:28021933Robertson T., Graf H.A., Michaelsen R., Vorderwisch (Eds.) Neutron-scattering. Instrumentation at the Research Reactor BER II. Berlin Neutron Scattering Center (BENSC); 1996. 55 p. Available from: https://inis.iaea.org/search/search.aspx?orig_q=RN:28021933Белов С.В., Борик М.А., Данилейко Ю.К., Шулутко А.М., Ломонова Е.Е., Осико В.В., Салюк В.А. Новый биполярный электрохирургический инструментарий на основе диоксида циркония. Мед. техника. 2013;2(278):20–24.Belov S.V., Borik M.A., Danileiko Ju.K., Shulutko A.M., Lomonova E.E., Osiko V.V., Salyuk V.A. New Bipolar Electrosurgical Tools Based on Zirconia. Biomed. Eng. 2013;47(2):78–82. https://doi.org/10.1007/s10527-013-9339-4Yashima M., Ishizava N., Yoshimura M. Application of an Ion‐Packing Model Based on Defect Clusters to Zirconia Solid Solutions: II, Applicability of Vegard’s Law. J. Am. Ceram. Soc. 1992;75(6):1550–1557. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1992.tb04223.xYashima M., Ishizava N., Yoshimura M. Application of an Ion‐Packing Model Based on Defect Clusters to Zirconia Solid Solutions: II, Applicability of Vegard’s Law. J. Am. Ceram. Soc. 1992;75(6):1550–1557. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1992.tb04223.xIngel R.P., Lewis D. Lattice Parameters and Density for Y 2 O3 ‐Stabilized ZrO2 . J. Am. Ceram. Soc. 1986;69(4):325–332. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1986.tb04741.xIngel R.P., Lewis D. Lattice Parameters and Density for Y 2 O3 ‐Stabilized ZrO2 . J. Am. Ceram. Soc. 1986;69(4):325–332. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1986.tb04741.xАбоимов М.А., Борик М.А., Гогоци Г.А., Калабухова В.Ф., Ломонова Е.Е., Мызина В.А. Исследование фазовых переходов в кристаллах частично стабилизированного диоксида циркония. Неорган. материалы. 1997;33(3):344–351.Aboimov M.A., Borik M.A., Gogotsi G.A., Kalabukhova V.F., Lomonova E.E., Myzina V.A. Phase transformations in crystals of partially stabilized zirconia. Inorg. Mater. 1997;33(3):285–291.Steele D. and Fender B.E.F. The Structure of Cubic ZrO 2 :YO 1.5 Solid Solutions by Neutron Scattering. J. Phys. C.: Solid State Phys. 1974;7(1):1–11. https://doi.org/10.1088/0022-3719/7/1/009Steele D. and Fender B.E.F. The Structure of Cubic ZrO 2 :YO 1.5 Solid Solutions by Neutron Scattering. J. Phys. C.: Solid State Phys. 1974;7(1):1–11. https://doi.org/10.1088/0022-3719/7/1/009Ishizawa N., Matsushima Y., Hayashi M., Ueki M. Synchrotron radiation study of yttria-stabilized zirconia, Zr 0.758 Y0.242 O1.879 . Acta Cryst. 1999;B55(5):726–735. https://doi.org/10.1107/s0108768199005108Ishizawa N., Matsushima Y., Hayashi M., Ueki M. Synchrotron radiation study of yttria-stabilized zirconia, Zr 0.758 Y0.242 O1.879 . Acta Cryst. 1999;B55(5):726–735. https://doi.org/10.1107/s0108768199005108

The authors declare that there are no conflicts of interest present.