Теплопроводность монокристаллов твердых растворов на основе диоксида циркония, стабилизированных оксидами скандия, иттрия, гадолиния и иттербия

В работе приведены результаты исследования фазового состава и теплопроводности кристаллов твердых растворов (ZrO₂)_0,9(R₂O₃)_0,1 где R = (Gd, Yb, Sc, Y), (ZrO₂)_0,9(Sc₂O₃)_0,09(Gd₂O₃)_0,01 и (ZrO₂)_0,9(Sc₂O₃)_0,09(Yb₂O₃)_0,01. Кристаллы выращивали методом направленной кристаллизации расплава в холодном контейнере. Исследования фазового состава кристаллов проводили методом рентгеновской дифрактометрии и комбинационного рассеяния света. Теплопроводность кристаллов изучали абсолютным стационарным методом продольного теплового потока в интервале температур 50—300 К.

Показано, что при суммарной концентрации стабилизирующих оксидов 10 % (мол.) фазовый состав кристаллов зависит от величины ионного радиуса стабилизирующего катиона. Минимальные значения теплопроводности в диапазоне температур 50—150 K имеют кристаллы (ZrO₂)_0,9(Sc₂O₃)_0,1, а при температуре 300 К — твердые растворы (ZrO₂)_0,9(Gd₂O₃)_0,1.

Анализ полученных данных позволяет сделать вывод о том, что основное влияние на теплопроводность оказывает фазовый состав и величина ионного радиуса стабилизирующего катиона. При этом фононное рассеяние, связанное с различиями массы катионов солегирующего оксида, оказывает на теплопроводность меньшее значение.

1. Basu R.N. Materials for solid oxide fuel cells. In: Recent trends in fuel cell science and technology. New York, USA: Springer; 2007: 286—331. https://doi.org/10.1007/978-0-387-68815-2_12

2. Clarke D.R., Oechsner M., Padture N.P. Thermal-barrier coatings for more efficient gas-turbine engines. MRS Bulletin. 2012; 37(10): 891—898. https://doi.org/10.1557/mrs.2012.232

3. Yildirim H., Pachter R. Extrinsic dopant effects on oxygen vacancy formation energies in ZrO2 with implication for memristive device performance. ACS Applied Electronic Materials. 2019; 1(4): 467—477. https://doi.org/10.1021/acsaelm.8b00090

4. Maccauro P.G. Zirconia as a ceramic biomaterial. Biomaterials. 1999; 20(1): 1—25. https://doi.org/10.1016/s0142-9612(98)00010-6

5. Chevalier J., Liens A., Reveron H., Zhang F., Reynaud P., Douillard T., Preiss L., Sergob V., Lughi V., Swaind M., Courtois N. Forty years after the promise of «ceramic steel?»: Zirconia-based composites with a metal-like mechanical behavior. Journal of the American Ceramic Society. 2020; 103(3): 1482—1513. https://doi.org/10.1111/jace.16903

6. Buzynin A.N., Grishina T.N., Kiselyov T.V., Kosuhina L.A., Kravchenko N.V., Lomonova E.E., Panov V.A., Sidorov M.S., Trishenkov M.A., Filachev A.M. Zirconia-based solid solutions — new materials of photoelectronics. Optical Memory & Neural Networks. 2009; 18: 312—321. https://doi.org/10.3103/S1060992X09040109

7. Hannink R.H.J., Kelly P.M., Muddle B.C. Transformation toughening in zirconia-containing ceramics. Journal of the American Ceramic Society. 2000; 83(3): 461—87. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.2000.tb01221.x

8. Chevalier J., Gremillard L., Virkar A.V., Clarke D.R. The tetragonal-monoclinic transformation in zirconia: lessons learned and future. Journal of the American Ceramic Society. 2009; 92(9): 1901—1920. https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2009.03278.x

9. Basu B., Vleugels J., Biest O.V.D. Microstructure-toughness-wear relationship of tetragonal zirconia ceramics. Journal of the European Ceramic Society. 2004; 24(7): 2031—2040. https://doi.org/10.1016/S0955-2219(03)00355-8

10. Sharma A., Witz G., Howell P.C., Hitchman N. Interplay of the phase and the chemical composition of the powder feedstock on the properties of porous 8YSZ thermal barrier coatings. Journal of the European Ceramic Society. 2021; 41(6): 3706—3716. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2020.10.062

11. Fèvre M., Finel A., Caudron R., Mévrel R. Local order and thermal conductivity in yttria-stabilized zirconia. II. Numerical and experimental investigations of thermal conductivity. Physical review B. 2005; 72: 104118-1—104118-7. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.72.104118

12. Hasselman D.P.H., Johnson L.F., Benten H.D., Syed R., Lee H.M., Swain M.V. Thermal diffusivity and conductivity of dense polycrystalline ZrO2 ceramics: a survey. American Ceramic Society Bulletin. 1987; 66(5): 799—806.

13. Wang X., Guo L., Zhang H., Gong S., Guo H. Structural evolution and thermal conductivities of (Gd1-xYbx)2Zr2O7 (x = 0, 0.02, 0.04, 0.06, 0.08, 0.1) ceramics for thermal barrier coatings. Ceramics International. 2015; 41(10А): 12621—12625. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2015.06.090

14. Ma W., Gao Y., Zhang J., Bai Y., Jia R., Dong H., Wang R., Bao M. Phase composition, microstructure and thermophysical properties of the Srx(Zr0.9Y0.05Yb0.05)O1.95+x ceramics. Journal of the European Ceramic Society. 2021; 41(4): 2734—2745. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2020.12.031

15. Lakiza S.M., Hrechanyuk M.I., Red’ko V.P., Ruban O.K., Tyshchenko Ja.S., Makudera A.O., Dudnik O.V. The role of hafnium in modern thermal barrier coatings. Powder Metallurgy and Metal Ceramics. 2021; 60: 70—89. https://doi.org/10.1007/s11106-021-00217-1

16. Yuan J., Zhou X., Dong S., Jiang J., Deng L., Song W., Dingwell D.B., Cao X. Plasma sprayed 18 mol% YO1.5 stabilized hafnia as potential thermal barrier coating. Ceramics International. 2021; 47(10А): 14515—14526. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2021.02.031

17. Cahill D.G., Watson S.K., Pohl R.O. Lower limit to the thermal conductivity of disordered crystals. Physical Review B. 1992; 46: 6131—6140. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.46.6131

18. Youngblood G.E., Rice R.W., Ingel R.I. Thermal diffusivity of partially and fully stabilized (yttria) zirconia single crystals. Journal of the American Ceramic Society. 1988; 71(4): 255–260. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1988.tb05856.x

19. Bisson J.-F., Fournier D., Poulain M., Lavigne O., Meґvrel R. Thermal conductivity of yttria-zirconia single crystals determined with spatially resolved infrared thermography. Journal of the American Ceramic Society. 2000; 83(8): 1993—1998. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.2000.tb01502.x

20. Fan W., Wang Z., Bai Y., Che J.W., Wang R.J., Ma F., Tao W.Z., Liang G.Y. Improved properties of scandia and yttria co-doped zirconia as a potential thermal barrier material for high temperature applications. Journal of the European Ceramic Society. 2018; 38(13): 4502—4511. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2018.06.002

21. Shi Q., Yuan W., Chao X., Zhu Z. Phase stability, thermal conductivity and crystal growth behavior of Re2O3 (Re = La, Yb, Ce, Gd) co-doped Y2O3 stabilized ZrO2 powder. Journal of Sol-Gel Science and Technology. 2017; 84: 341—348. https://doi.org/10.1007/s10971-017-4483-z

22. Chen D., Wang Q., Liu Y., Ning X. Microstructure, thermal characteristics, and thermal cycling behavior of the ternary rare earth oxides (La2O3, Gd2O3, and Yb2O3) co-doped YSZ coatings. Surface & Coatings Technology. 2020; 403: 126387. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2020.126387

23. Goff J.P., Hayes W., Hull S., Hutchings M.T., Clausen K.N. Defect structure of yttria-stabilized zirconia and its influence on the ionic conductivity at elevated temperatures. Physical Review B. 1999; 59: 14202—14219. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.59.14202

24. Li Y., Gong J., Xie Y., Chen Y. Analysis of non-linear Arrhenius behavior of ionic conduction in cubic zirconia stabilized with yttria and calcia. Journal of Materials Science Letters. 2002; 21: 157—159. https://doi.org/10.1023/A:1014253400747

25. Norberg S.T., Hull S., Ahmed I., Eriksson S.G., Marrocchelli D., Madden P.A., Li P., Irvine J.T.S. Structural disorder in doped zirconias. Part I: the Zr0.8Sc0.2-xYxO1.9 (0.0 ≤ x ≤ 0.2) system. Chemistry of Materials. 2011; 23(6): 1356—1364. https://doi.org/10.1021/cm102808k

26. Marrocchelli D., Madden P.A., Norberg S.T., Hull S. Structural disorder in doped zirconias. Part II: vacancy ordering effects and the conductivity maximum. Chemistry of Materials. 2011; 23(6): 1365—1373. https://doi.org/10.1021/cm102809t

27. Popov P.A., Solomennik V.D., Lomonova E.E., Borik M.A., Myzina V.A. Thermal conductivity of single crystal ZrO2–Y2O3 solid solutions in the temperature range 50–300 K. Physics of the Solid State. 2012; 54(3): 658—661. https://doi.org/10.1134/S1063783412030250

28. Borik M.A., Volkova T.V., Kulebyakin A.V., Kuritsyna I.E., Lomonova E.E., Myzina V.A., Milovich F.O., Ryabochkina P.A., Tabachkova N.Yu., Zentsova A.I., Popov P.A. Thermal conductivity of cubic ZrO2 single crystals stabilized with yttrium oxide. Physics of the Solid State. 2020; 62(1): 235—239. https://doi.org/10.1134/S1063783420010072

29. Кузьминов Ю.С., Ломонова Е.Е., Осико В.В. Тугоплавкие материалы из холодного тигля. М.: Наука;2004. 369 с.

30. Ruh R., Garrett H.J., Domagala R.F., Patel V.A. The system zirconia-scandia. Journal of the American Ceramic Society. 1977; 60(9-10): 399—403. https://doi.org/1010.1111/j.1151-2916.1977.tb15521.x

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

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

33. Arachi Y., Suzuki M., Asai T., Emura S., Kamiyama T., Izumi F. High-temperature structure of Sc2O3-doped ZrO2. Solid State Ionics. 2004; 175(1-4): 119—121. https://doi.org/10.1016/j.ssi.2004.09.025

34. Huang H., Hsieh C.-H., Kim N., Stebbins J., Prinz F. Structure, local environment, and ionic conduction in scandia stabilized zirconia. Solid State Ionics. 2008; 179(27-32): 1441—1445. https://doi.org/10.1016/j.ssi.2008.02.061

35. Agarkov D.A., Borik M.A., Volkova T.V., Eliseeva G.M., Kulebyakin A.V., Larina N.A., Lomonova E.E., Myzina V.A., Ryabochkina P.A., Tabachkova N.Yu. Phase composition and local structure of scandia and yttria stabilized zirconia solid solution. Journal of Luminescence. 2020; 222: 117170. https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2020.117170

36. Borik M.A., Gerasimov M.V., Kulebyakin A.V., Larina N.A., Lomonova E.E., Milovich F.O., Myzina V.A., Ryabochkina P.A., Sidorova N.V., Tabachkova N.Y. Structure and phase transformations in scandia, yttria, ytterbia and ceria doped zirconia base solid solutions during directional melt crystallization. Journal of Alloys and Compounds. 2020; 844: 156040. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.156040

37. Borik M.A., Kulebyakin A.V., Lomonova E.E., Myzina V.A., Popov P.A., Milovich F.O., Tabachkova N.Yu. Thermal conductivity of single-crystal ZrO2-based solid solutions stabilized with scandium and yttrium oxides in the temperature range 50–300 K. Physics of the Solid State. 2018; 60(12): 2672—2677. https://doi.org/10.1134/S1063783418120090