Діаграми стану систем оксидів цирконію та гафнію з оксидами рідкісноземельних елементів як фізико-хімічна основа створення нових матеріалів

Впервые построены диаграммы состояния 5-ти тройных систем: HfO₂-ZrO₂-Y₂O₃; HfO₂-ZrO₂-Sc₂O₃; HfO₂-ZrO₂-Al₂O₃; ZrO₂-Y₂O₃-Sc₂O₃; ZrO₂-Y₂O₃ -Al₂O₃ , представленные в виде поверхностей ликвидуса, изотермических и политермических сечений. Установлено, что топология диаграмм состояния тройных систем определяется особенностями строения

ограничивающих бинарных систем, что проявляется в температурных аномалиях на поверхности ликвидуса тройных систем (у оксидов лантаноидов иттриевой подгруппы) ,в формировании областей твердых растворов на основе полиморфных форм исходных оксидов и образующихся в бинарных системах промежуточных фаз.

Полученные результаты исследования 2-х и 3-х компонентных диаграмм состояния являются научной основой для создания керамических материалов, относящихся к двум различным классам:

- крупнозернистые высокоогнеупорные материалы содержащие активно спекающуюся связку, предназначенные для работы до 2200 ⁰С ;

- трансформационно - упрочненные материалы с однородной микроструктурой типа Y,Се-TZP и TZA. К этому классу отнесена оптически прозрачная керамика на основе С-формы Y₂O₃, характеризуемая высоким светопропусканием в видимой и близкой ИК области спектра и светопропускающая керамика на основе оксидов лантаноидов иттриевой подгруппы. Впервые установлено влияние добавок оксидов элементов IVб подгруппы (SiO₂, PbO), обеспечивающих жидкофазное спекание при получении прозрачной керамики.

Разработана технология крупнозернистого огнеупорного припаса для плавки и прецизионного литья химически активных металлов и сплавов с рабочей температурой до 2000 ⁰С, состящего из наборно-секционного тигля многоразового использования на основе С-формы Y₂O₃ и кубических твердых растворов типа флюорита ZrO₂(HfO₂); оболочковых форм с внутренним слоем из плавленного Y₂O₃; стержневой керамики на основе системы Lа₂O₃-Y₂O₃ (или С-формы Y₂O₃).

Определены принципы формирования фрагментарной структуры и рабочей поверхности металлокерамических композитов на основе системы HfO₂-ZrO₂-Y₂O₃ и W, обеспечивающие высокую эффективность испарителей Ni при работе до 2000 ⁰С. В тройных системах ZrO₂-Y₂O₃-Sc₂O₃ и HfO₂-ZrO₂-Y₂O₃ (Sc₂O₃) установлены области оптимальных составов, на основе которых разработана технология слоистых, термостойких электронагревателей многоразового включения, предназначенных для работы в окислительных средах до 2000 ⁰С.

Установлены оптимальные концентрации солей циркония и гафния и параметры гидротермального синтеза дисперсных частиц ZrO₂ и HfO₂, а также разработан метод их механо-химической обработки в процессе получения наноразмерных порошков сложного химического состава. На их основе разработана технология водного шликерного литья монолитных и многослойных керамических композитов для получения головок шейки бедра и сложнопрофильных накладок, хирургических скальпелей, твердых электролитов топливных ячеек.

Полученные результаты исследования представляют собой справочные данные, необходимые при создании новых высокоогнеупорных материалов, твердых электролитов, термобарьерных покрытий, прозрачной керамики, биоимплантатов, хирургического инструмента, конструкционной керамики и т.д.

Ключевые слова: оксиды циркония, гафния, лантаноидов, иттрия, скандия, диаграммы состояния, полиморфизм, фазовые равновесия, нанокристаллические порошки, шликерное литье, прозрачная керамика, огнеупорный материал, биоимплантат, хирургический скальпель, многослойный композит.

ABSTRACT

Shevchenko A.V. Phase diagrams of the zirconia and hafnia systems with rare earth oxides as physical - chemical basis for designing of new materials.- Manuscript.

The Doctor of Science thesis in speciality 02.00.04 - physical chemistry. I.N.Frantsevich Institute for Problems of Materials Science NAS of Ukraine, Kyiv, 2007.

Systematic investigations of the phase equilibria in the binary and ternary systems of zirconia and hafnia with the rare-earth oxides were carried out for the first time in the wide range of concentrations and temperatures (1600-2800⁰C). The developed complex of high-temperature physical-chemical techniques was used.

Common laws of change in the binary phase diagrams type depending on variation of the lanthanide atomic numbers were established.

It was found that the topology of ternary state diagrams is determined by the configuration features of the limiting binary systems.

The investigation findings of the binary and ternary state diagrams are a scientific foundation for designing of ceramics for industry and medicine

Keywords: zirconia, hafnia, yttria, scandia, lanthanide oxides, state diagram, polymorphism, phase equilibria, nanocrystalline powder, slip casting, transparent ceramics, refractory, bioimplant, surgical scalpel, laminated composite.

Размещено на Allbest.ru