ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРУЮЩЕЙ ПРИМЕСИ ОКСИДА ИТТРИЯ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА КРИСТАЛЛОВ (ZrO₂)0,91−x(Sc₂O₃)0,09(Y₂O₃)х (x = 0÷0,02)

Исследовано влияние на фазовый состав, структуру и электрофизические свойства полученных кристаллов введения в твердые растворы ZrO₂ — 9 % (мол.) Sc₂O₃ дополнительного легирующего оксида Y₂O₃ в количестве 1 и 2 % (мол.). Показано, что совместная стабилизация 9 % (мол.) Sc₂O₃ и 2 % (мол.) Y₂O₃ твердых растворов на основе ZrO₂ позволяет получить прозрачные однородные кристаллы с кубической структурой, которые обладают высокой фазовой устойчивостью. Установлено, что механическое измельчение таких кристаллов не изменило их фазовый состав, в порошках сохранилась исходная флюоритовая структура кристаллов. Выявлено, что все исследованные кристаллы обладали высокой микротвердостью и низкой трещиностойкостью. Увеличение концентрации Y₂O₃ в кристаллах обусловило уменьшение максимальных нагрузок на индентор, которые выдерживал образец без появления трещин. Показано, что удельная проводимость носит немонотонный характер в зависимости от концентрации Y₂O₃ в кристаллах. Увеличение в составе твердого электролита содержания Y₂O₃ до 2 % (мол.) уменьшило проводимость кристаллов во всем диапазоне температур, что связано со снижением подвижности носителей заряда из−за увеличения ионного радиуса стабилизирующего иона. 

1. Badwal, S. P. S. Scandia−zirconia electrolytes for intermediate temperature solid oxide fuel cell operation / S. P. S. Badwal, F. T. Ciacchi, D. Milosevic // Solid State Ionics. − 2000. − V. 136–137. − P. 91—99. DOI: 10.1016/S0167−2738(00)00356-8

2. Kharton, V. V. Transport properties of solid oxide electrolyte ceramics: a brief review / V. V. Kharton, F. M. B. Marques, A. Atkinson // Solid State Ionics. − 2004. − V. 174, iss. 1–4. − P. 135—149. DOI: 10.1016/j.ssi.2004.06.015

3. Fergus, J. W. Electrolytes for solid oxide fuel cells / J. W. Fergus // J. Power Sources. − 2006. − V. 162, iss. 1. − P. 30—40. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2006.06.062

4. Yokokawa, H. Solid oxide electrolytes for high temperature fuel cells / H. Yokokawa, N. Sakai, T. Horita, K. Yamaji, M. E. Brito // Electrochemistry. − 2005. − V. 73, iss. 1. − P. 20—30.

5. Politova, T. I. Investigation of scandia−yttria−zirconia system as an electrolyte material for intermediate temperature fuel cells— influence of yttria content in system (Y2O3)x(Sc2O3)(11−x)(ZrO2)89 / T. I. Politova, J. T. S. Irvine // Solid State Ionics. − 2004. − V. 168, N 1–2. − P. 153—165. DOI: 10.1016/j.ssi.2004.02.007

6. Wakako, A. Fracture mechanism of scandia−doped zirconia / A. Wakako, D. Hanashiro, Y. Arai, J. Malzbender // Acta Materialia. − 2013. − V. 61, iss. 8. − P. 3082—3089. DOI: 10.1016/j.actamat. 2013.01.068

7. Fujimori, H. Structural changes of scandia−doped zirconia solid solutions: rietveld analysis and saman scattering / H. Fujimori, M. Yashima, M. Kakihana, M. Yoshimura // J. Amer. Ceram. Soc. − 1998. − V. 81, iss. 11. − P. 2285—2293. DOI: 10.1111/j.1151-2916.1998. tb02710.x 8. Simoncic, P. Systematics of phase transition and mixing energetics in rare earth / P. Simoncic, A. Navrotsky // J. Amer. Ceram. Soc. − 2007. − V. 90, iss. 7. − P. 2143—2150. DOI: 10.1111/j.15512916.2007.01678.x

8. Spirin, A. Scandia−stabilized zirconia doped with yttria: Synthesis, properties, and ageing behavior / A. Spirin, V. Ivanov, A. Nikonov, A. Lipilin, S. Paranin, V. Khrustov, A. Spirina // Solid State Ionics. − 2012. − V. 225. − P. 448—452. DOI: 10.1016/j. ssi.2012.02.022

9. Tataryn, T. Twin structure of the ZrO2−Sc2O3 crystal / T. Tataryn, D. Savytskii, C. Paulmann, U. Bismayer // Crystal Ra diation Physics and Chemistry. − 2009. − V. 78, iss. 10. − P. 101—104. DOI: 10.1016/j.radphyschem.2009.03.088

10. Shobit, O. Electrical conductivity of 10 mol% Sc2O3–1 mol% M2O3–ZrO2 ceramics / O. Shobit, W. B. Najib, W. Chen, N. Bonanos // J. Amer. Ceram. Soc. − 2012. − V. 95, iss. 6. − P. 1965—1972. DOI: 10.1111/j.1551-2916.2012.05126.x

11. Agarkov, D. A. Analysis of interfacial processes at the SOFC electrodes by in−situ Raman spectroscopy / D. A. Agarkov, I. N. Burmistrov, F. M. Tsybrov, I. I. Tartakovskii, V .V. Kharton, S. I. Bredikhin, V. V. Kveder // ECST. − 2015. − V. 68, iss. 1. − P. 2093— 2103. DOI: 10.1149/06801.2093ecst

12. Yashima, M. Metastable−stable phase diagrams in the zirconia− containing systems utilized in solid−oxide fuel cell application / M. Yashima, M. Kakihana, M. Yoshimura // Solid State Ionics. − 1996. − V. 86–88, Pt 2. − P. 1131—1149. DOI: 10.1016/0167−2738(96)00386-4

13. Chiba, R. Ionic conductivity and morphology in Sc2O3 and Al2O3 doped ZrO2 films prepared by the sol−gel method / R. Chiba, F. Yoshimura, J. Yamaki, T. Ishii, T. Yonezawa, K. Endou // Solid State Ionics. − 1997. − V. 104, iss. 3–4. − P. 259—266. DOI: 10.1016/ S0167-2738(97)00423-2

14. Sheu, T.−S. Phase relationships in the ZrO2—Sc2O3 and ZrO2—In2O3 systems / T.−S. Sheu, J. Xu, T.−Y. Tien // J. Amer. Ceram. Soc. − 1993. − V. 76, iss. 8. − P. 2027—2032. DOI: 10.1111/j.11512916.1993.tb08328.x

15. Кузьминов, Ю. С. Тугоплавкие материалы из холодного тигля / Ю. С. Кузьминов, Е. Е. Ломонова, В. В. Осико. − М. : Наука, 2004. − 372 с.

16. Borik, M. A. Phase composition, structure and mechanical properties of PSZ (partially stabilized zirconia) crystals as a function of stabilizing impurity content / M. A. Borik, V. T. Bublik, A. V. Kulebyakin, E. E. Lomonova, F. O. Milovich, V. A. Myzina, V. V. Osiko, N. Y. Tabachkova // J. Alloys and Compounds. − 2014. − V. 586. − P. 231—235. DOI: 10.1016/j.jallcom.2013.01.126

17. Андриевская, Е. Р. Фазовые равновесия в системах оксидов гафния, циркония, иттрия с оксидами редкоземельных элементов / Е. Р. Андриевская. − К. : Наукова думка, 2010. − 472 с.

18. Fujimori, H. −cubic phase transition of scandia− doped zirconia solid solution: Calorimetry, X−ray diffraction, and Raman scattering / H. Fujimori, M. Yashima, M. Kakihana, M. Yoshimura // J. Appl. Phys. − 2002. − V. 91, iss. 10. − P. 6493—6498. DOI: 10.1063/1.1471576

19. Arachi, Y. Electrical conductivity of the ZrO − Ln2O3 (Ln=lanthanides) system / Y. Arachi, H. Sakai, O. Yamamoto, Y. Takeda, N. Imanishai // Solid State Ionics. − 1999. − V. 121, N 1–4. − P. 133—139. DOI: 10.1016/S0167-2738(98)00540-2