Синтез и исследование свойств порошков диоксида циркония с различным содержанием иттрия

В рамках работы проведено изучение влияния содержания иттрия на изменение свойств частиц как в ходе контролируемого осаждения, так и после термообработки. Осаждение проводили при постоянном значении pH= 5 из азотно-кислых растворов, где концентрация циркония составляла 1 моль/дм³, а содержание иттрия – от 0 до 30 % в пересчете на их оксиды. Температуры сушки и обжига осадков составляли 40 и 1000 °C соответственно. Показано, что при содержании Y вплоть до 15 % происходит постоянное увеличение среднего диаметра частиц гидроксида циркония в процессе осаждения, при повышении концентрации Y до 30 % средний размер частиц возрастает в течение первых 10 мин осаждения, после чего происходит его плавное снижение. Наибольший диаметр частиц наблюдался у образца с 7 % Y. Во всех случаях отмечено формирование сфероидальных агрегатов. При этом с повышением содержания Y происходят сглаживание границ между частицами и снижение степени соосаждения Y в процессе синтеза с 80 до 60 %. В зависимости от концентрации иттрия получены различные модификации порошков стабилизированного диоксида циркония: при 2–7 % Y – тетрагональный ZrO₂, а при 15–30 % Y – кубический ZrO₂. Таким образом, полученные в ходе исследований результаты могут быть полезны для разработки технологии производства порошковых материалов для различного применения.

1. Qiaomu L., Shunzhou H., Aijie H. Composite ceramics thermal barrier coatings of yttria stabilized zirconia for aero-engines. Journal of Materials Science & Technology. 2019;35(12):2814—2823. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2019.08.003

2. Liu G., Shen Z., He L., Mu R., Huang G. LaYZrO/YSZ double ceramic layer thermal barrier coatings by EB-PVD: Thermal performance, morphology and failure behavior. Materialia. 2023;27:101661. https://doi.org/10.1016/j.mtla.2022.101661

3. Erdoğan N.N., Başyiğit A.B. Investigating thermal shock and corrosion resistance of Inconel 601 super alloy after thermal barrier coating with 8 % YSZ powder. Materials Today Communications. 2023;36:106516. https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2023.106516

4. Moayedee Y., Nikzad L., Habibzadeh S. Mechanical, electrochemical, and biological properties of YSZ-Mo: A new class of bio-composites. Materialia. 2022;24:101515. https://doi.org/10.1016/j.mtla.2022.101515

5. Piconi C., Maccauro G. Zirconia as a ceramic biomaterial. Biomaterials. 1999;20(1):1—25. https://doi.org/10.1016/S0142-9612(98)00010-6

6. Xiuping Z., Xin W., Jing S. Additive manufacturing of zirconia ceramics: a state-of-the-art review. Journal of Materials Research and Technology. 2020;9(4):9029—9048. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2020.05.131

7. Xiuan X., Hiroya A., Kazuo K., Ryo H., Anze S., Makio N. Novel Co-precipitation method to synthesize NiO—YSZ nanocomposite powder for solid oxide fuel cell. Advanced Powder Technology. 2014;25(2):490—494. https://doi.org/10.1016/j.apt.2013.08.001

8. Shao Z., Zhou W., Zhu Z. Advanced synthesis of materials for intermediate-temperature solid oxide fuel cells. Progress in Materials Science. 2012;57(4):804—874. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2011.08.002

9. Monaco F., Effori E, Hubert M, Siebert E., Geneste G., Morel B., Djurado E., Montinaro D., Laurencin J. Electrode kinetics of porous Ni—3YSZ cermet operated in fuel cell and electrolysis modes for solid oxide cell application. Electrochimica Acta. 2021;389(1):138765. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2021.138765

10. Jungwan C., Joonsuk P., Jihwan A. Low thermal conductivity of atomic layer deposition yttria-stabilized zirconia (YSZ) thin films for thermal insulation applications. Journal of the European Ceramic Society. 2017;37(9):3131— 3136. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2017.03.045

11. Raheleh A.-P., Reza S.-R., Reza M., Hossein J. Improving the hot corrosion resistance of plasma sprayed ceria—yttria stabilized zirconia thermal barrier coatings by laser surface treatment. Materials & Design. 2014;57:336— 341. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2013.12.075

12. Nikhil A. P., Balasubramanian K. Biological and mechanical enhancement of zirconium dioxide for medical applications. Ceramics International. 2020;46(4):4041— 4057. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.10.220

13. Chaoxi S., Jinshuang W., Xianjun L., Tingyang C., Mingyi X., Guang D., Yuancheng R., Zhongwei L., ZhixigD., Yifeng X, Guoqiang L., Yixing Z., Fuhe Y., Xueqiang C. Investigation of corrosion resistance of YSZ coating with sacrificial aluminum oxide protective layer against CMAS and composite corrosives. Journal of the European Ceramic Society. 2024;44(4):2537—2579. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2023.11.030

14. Clarke D.R.., Phillpot S.R. Thermal barrier coating materials. Materials Today. 2005;8(6):22—29. https://doi.org/10.1016/S1369-7021(05)70934-2

15. Padture N.P., Gell M., Jordan E.H. Thermal barrier coatings for gas-turbine engine applications. Science. 2002;296(5566):280—284. https://www.science.org/doi/10.1126/science.1068609

16. Buinachev S., Mashkovtsev M.A., Zhirenkina N., Aleshin D., Dankova A. A new approach for the synthesis of monodisperse zirconia powders with controlled particle size. International Journal of Hydrogen Energy. 2021;46(32):16878—16887. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2021.01.134

17. Yuzhuo L., Zhen Z., Xin W., Rende M., Limin H., Zhenhua X. Thermo-physical properties, morphology and thermal shock behavior of EB-PVD thermal barrier coating with DLC YbGdZrO/YSZ system. Materials Today Communications. 2023;35:106265. https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2023.106265

18. He W., Mauer G., Sohn Y.J, Schwedt A., Guillon O., Vaßen R. Investigation on growth mechanisms of columnar structured YSZ coatings in plasma spray-physical vapor deposition (PS-PVD). Journal of the European Ceramic Society. 2019;39(10):3129—3138. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2019.04.003

19. Gao L., Guo H., Wei L., Li C., Xu H. Microstructure, thermal conductivity and thermal cycling behavior of thermal barrier coatings prepared by plasma spray physical vapor deposition. Surface and Coatings Technology. 2015;276:424—430. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2015.06.033

20. Jude S.A.A., Winowlin Jappes J.T., Adamkhan M. Thermal barrier coatings for high-temperature application on superalloy substrates: A review. Materials Today: Proceedings. 2022;60(3):1670—1675. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2021.12.223

21. Vaßen R., Jarligo M.O., Steinke T., Mack D. E., Stöver D. Overview on advanced thermal barrier coatings. Surface and Coatings Technology. 2010;205(4);938—942. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2010.08.151

22. Shan Y., Gao L. Synthesis and characterization of phase controllable ZrO2-carbon nanotube nanocomposites. Nanotechnology. 2005;16(6):625—630. https://doi.org/10.1088/0957-4484/16/6/001

23. Fenech J., Dalbin M., Barnabe A., Bonino J.P.,Ansart F. Sol-gel processing and characterization of (RE-Y)-zirconia powders for thermal barrier coatings. Powder Technology. 2011;208(2):480—487. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2010.08.046

24. Chen C.Y., Tseng T.K., Tsai S.C., Lin C.K., Lin H.M. Effect of precursor characteristics on zirconia and ceria particle morphology in spray pyrolysis. Ceramics International. 2008;34(2):409—416. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2006.10.013

25. Zhang H., Lu H., Zhu Y.,Fan L., Duan R., Zhang M., Wang X. Preparations and characterizations of new mesoporous ZrO2 and Y2O3-stabilized ZrO2 spherical powders. Powder Technology. 2012;227:9—16. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2012.02.007

26. Buinachev S., Mashkovtsev M., Dankova A., Zhirenkina N., Kharisova K. Synthesis of YSZ powders with controlled properties by the CDJP method. Powder Technology. 2022;399:117201. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2022.117201

27. Carter G.A., Ogden M.I., Buckley C.E., Maitland C., Paskevicius M. Ammonia-induced precipitation of zirconyl chloride and zirconyl—yttrium chloride solutions under industrially relevant conditions. Powder Technology. 2009;188:222—228. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2008.04.087

28. Trovarelli A., Leitenburg C., Boaro M., Dolcet G. The utilization of ceria in industrial catalysis. Catalysis Today. 1999;50: 353—367. https://doi.org/10.1016/S0920-5861(98)00515-X

29. Agarkova E.A., Borik M.A., Bublik V.T., Volkova T.V., Kulebyakin A.V., Kuritsyna I.E., Larina N.A., Lomonova E.E., Milovich F.O., Myzina V.A., Ryabochkina P.A., Tabachkova N.Yu. Effect of the phase composition and local crystal structure on the transport properties of the ZrO2—Y2O3 and ZrO2—Gd2O3 solid solutions. Russian Microelectronics. 2019;48:8:523—530. https://doi.org/10.17073/1609-3577-2018-3-156-165