Нейтронографическое исследование структурного перехода кубическая–тетрагональная фаза в монокристаллах твердых растворов оксида циркония с оксидом иттрия

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. 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. 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. 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.

1. Nerst W. Electrical glow light: US Patent 623.811. Appl. 02.10.1897.

2. Кузьминов Ю.С., Ломонова Е.Е., Осико В.В. Тугоплавкие материалы из холодного тигля. М: Наука; 2004. 372 с. ISBN 5-02-002820-7

3. Scott 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/BF00566272

4. 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.

5. 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/BF01742233

6. Borik 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/S1027451011020042

7. Chan 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.x

8. Aksenov 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/10.1080/10238169708200223

9. Балагуров 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.

10. 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/10.1080/10238169708200217

11. Георгиев 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.

12. Кодесс Б.Н., Сарин В.А. Нейтронный дифрактометр для определения структурных характеристик монокристаллов. Измерительная техника. 2014;(11):51–54.

13. Robertson 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:28021933

14. Белов 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.

15. Yashima 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.x

16. Ingel 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.x

17. Абоимов 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.

18. 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/10.1088/0022-3719/7/1/009

19. Ishizawa 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