kaz29Вестник Казахстанско-Британского технического университетаHerald of the Kazakh-British Technical University1998-66882959-8109Казахстанско-Британский Технический Университет10.55452/1998-6688-2025-22-2-333-350kaz29-2017Research ArticleФИЗИЧЕСКИЕ НАУКИPHYSICAL SCIENCESЭФФЕКТ НАКОПЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЗАРЯДА НАНОПОРОШКОВОЙ СИСТЕМЫ НА ОСНОВЕ ZRO2THE EFFECT OF ELECTRIC CHARGE ACCUMULATION IN A ZRO2 -BASED NANOPOWDER SYSTEMhttps://orcid.org/0009-0005-1212-7871АлтынбасоваА.AltynbasovaA.

 докторант

г. Темиртау

г. Дубна

PhD student 

Temirtau

Dubna 

altyn_neo@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-6510-8683ДорошкевичА.DoroshkevichA.

кандидат ф.-м.н 

г. Дубна 

 Cand.Phys.-Math.Sc. 

Dubna

doroh@jinr.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4806-4137ИскалиеваА.IskalievaA.

PhD

г. Алматы 

 PhD 

Almaty 

asylzat@bk.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7485-3231МухаметулыБ.MukhametulyB.

 PhD 

г. Дубна 

PhD 

Dubna 

bogda@nf.jinr.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1705-0405АйнабековаС.AinabekovaC.

 PhD 

г. Темиртау 

PhD 

Temirtau

asaules@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8765-3386АппазовН.AppazovN.

 к.х.н. 

г. Кызылорда 

Cand.Chem.Sc. 

Kyzylorda 

nurasar.82@korkyt.kzhttps://orcid.org/0009-0001-3316-0786СуюнгалиеваЛ.SuyungalievaL.

докторант 

г. Темиртау

 PhD student 

 Temirtau 

Liliya1982@bk.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6931-7944УмбетовУ.UmbetovU.

 д.т.н. 

г. Кызылорда

 Dr. Tech. Sc. 

Kyzylorda 

umu2005@mail.ruhttps://orcid.org/0009-0005-1039-3308КибардинаЕ.KibardinaE.

студент 

г. Дубна 

Student 

Dubna 

k1bardinae@yandex.ruКарагандинский индустриальный университет,; Объединенный институт ядерных исследованийКазахстанKaraganda Industrial University; Joint Institute for Nuclear ResearchKazakhstanОбъединенный институт ядерных исследованийРоссияJoint Institute for Nuclear ResearchRussian FederationКазахстанско-Британский технический университетКазахстанKazakh-British Technical UniversityKazakhstanОбъединенный институт ядерных исследований,РоссияJoint Institute for Nuclear ResearchRussian FederationКарагандинский индустриальный университетКазахстанKaraganda Industrial UniversityKazakhstanКызылординский университет им. Коркыт АтаКазахстанKorkyt Ata Kyzylorda UniversityKazakhstanКызылординский университет БолашакКазахстанKyzylorda Bolashak UniversityKazakhstanГосударственный университет «Дубна»РоссияDubna State UniversityRussian Federation202506072025222333350Copyright © Алтынбасова А., Дорошкевич А., Искалиева А., Мухаметулы Б., Айнабекова С., Аппазов Н., Суюнгалиева Л., Умбетов У., Кибардина Е., 20252025Алтынбасова А., Дорошкевич А., Искалиева А., Мухаметулы Б., Айнабекова С., Аппазов Н., Суюнгалиева Л., Умбетов У., Кибардина Е.Altynbasova A., Doroshkevich A., Iskalieva A., Mukhametuly B., Ainabekova C., Appazov N., Suyungalieva L., Umbetov U., Kibardina E.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestnik.kbtu.edu.kz/jour/article/view/2017

В работе представлена методика получения и исследования электрических емкостных свойств нанопорошков на основе диоксида циркония ZrO2, легированного 3 мол.% оксида иттрия Y2O3. Основное внимание уделяется созданию плотных компактатов с использованием высокого гидростатического давления до 500 МПа, а также оптимизации технологии нанесения электрических контактов, обеспечивающих стабильность измерений. В экспериментальной части статьи описана схема установки, позволяющей фиксировать разрядные характеристики образцов в диапазоне температур от 30 до 400 °C. Приведены данные о зависимости емкости от сопротивления цепи и напряжения, а также влияния термической обработки, то есть отжига при 400 °C и 500 °C на структурные и емкостные параметры. Показано, что при оптимальной комбинации параметров, а именно при напряжении 10 В, сопротивлении 10 кОм и влажности воздуха 50% достигается максимальная емкость до 1256,948 мкФ. Также в статье установлено, что повышение температуры отжига способствует улучшению емкостных характеристик, что связано с изменениями микроструктуры материала. Представленные данные свидетельствуют о потенциале нанопорошков YSZ в создании твердотельных наноионных накопителей энергии высокой плотности, что делает их перспективными для применения в системах накопления энергии и микроэлектронике.

This study presents a methodology for the fabrication and investigation of the electrical capacitance properties of zirconium dioxide (ZrO2)-based nanopowders doped with 3 mol.% yttrium oxide (Y2O3). The main focus is on the creation of dense compacts using high hydrostatic pressure up to 500 MPa, as well as the optimization of the technique for applying electrical contacts to ensure measurement stability. The experimental section describes a setup that enables the recording of discharge characteristics of the samples in a temperature range from 30 to 400 °C. The article provides data on the dependence of capacitance on circuit resistance and applied voltage, as well as the influence of thermal treatment – specifically annealing at 400 °C and 500 °C – on structural and capacitive parameters. It is demonstrated that under optimal conditions – namely, a voltage of 10 V, a resistance of 10 kΩ, and air humidity of 50% – a maximum capacitance of up to 1256.948 µF is achieved. The study also shows that increasing the annealing temperature improves the capacitive properties, which is attributed to changes in the material’s microstructure. The presented results highlight the potential of YSZ nanopowders in developing solid-state nanoionic energy storage devices with high energy density, making them promising candidates for use in energy storage systems and microelectronics.

нанопорошкидиоксид цирконияZrO2плотные компактатыгидростатическое давлениеэлектрические свойстваимпедансные спектрырентгеновская дифракцияграфитовые электродыэкспериментальная установкаnanopowderszirconium dioxideZrO2dense compactshydrostatic pressureelectrical propertiesimpedance spectraX-ray diffractiongraphite electrodesexperimental setupАвторы выражают благодарность за финансовую поддержку в выполнении данной исследовательской работы следующие проекты: 1 Казахстан – Объединенный институт ядерных исследований, Россия, №351, 2025 №15. 2 Сербия – Объединенный институт ядерных исследований, Россия, №50, 2024 №7, №8. 3 Сербия – Объединенный институт ядерных исследований, Россия, №51, 2024 №4, №5. 4 Беларусь – Объединенный институт ядерных исследований, Россия, №234, 2025 №19.ReferencesJacobson M.Z., Delucchi M.A., Cameron M.A., Coughlin S.J., Hay C.A., Manogaran IP., von Krauland A.-K. Impacts of Green New Deal Energy Plans on Grid Stability, Costs, Jobs, Health, and Climate in 143 Countries // One Earth. – 2019. – Vol. 1. – No. 4. – P. 449–463. https://doi.org/10.1016/j.oneear.2019.12.003.Jacobson M.Z., Delucchi M.A., Cameron M.A., Coughlin S.J., Hay C.A., Manogaran IP., von Krauland A.-K. Impacts of Green New Deal Energy Plans on Grid Stability, Costs, Jobs, Health, and Climate in 143 Countries. One Earth, 1(4), 449–463 (2019). https://doi.org/10.1016/j.oneear.2019.12.003.Olz S., Sims R., Kirchner N. Contribution of renewables to energy security // International Energy Agency. – 2007. URL: https://web.archive.org/web/20090318231652/http://www.iea.org/textbase/papers/2007/ so_contribution.pdf.Olz S., Sims R., Kirchner N. Contribution of renewables to energy security. International Energy Agency (2007). URL: https://web.archive.org/web/20090318231652/http://www.iea.org/textbase/papers/2007/ so_contribution.pdf.Becker S., Frew B.A., Andresen G.B., Zeyer T., Schramm S., Greiner M., & Jacobson M.Z. Features of a fully renewable US electricity system: Optimized mixes of wind and solar PV and transmission grid extensions // Energy. – 2014. – Vol. 72. – P. 443– 458. https://doi.org/10.1016/j.energy.2014.05.067.Becker S., Frew B.A., Andresen G.B., Zeyer T., Schramm S., Greiner M., & Jacobson M.Z. Features of a fully renewable US electricity system: Optimized mixes of wind and solar PV and transmission grid extensions. Energy, 72, 443– 458 (2014). https://doi.org/10.1016/j.energy.2014.05.067Pratiwi S., Juerges N. Review of the impact of renewable energy development on the environment and nature conservation in Southeast Asia // Energ Ecol. Environ. 2020. – Vol. 5. – P. 221–239. https://doi.org/10.1007/s40974-020-00166-2.Pratiwi S., Juerges N. Review of the impact of renewable energy development on the environment and nature conservation in Southeast Asia. Energ. Ecol. Environ, 5, 221–239 (2020). https://doi.org/10.1007/s40974-020-00166-2.Bakos G.C. Feasibility study of a hybrid wind/hydro power-system for low-cost electricity production // Applied Energy. – 2002. – Vol. 72. – No. 3–4. – P. 599–608. https://doi.org/10.1016/s0306-2619(02)00045-4.Bakos G.C. Feasibility study of a hybrid wind/hydro power-system for low-cost electricity production. Applied Energy, 72 (3–4), 599–608 (2002). https://doi.org/10.1016/s0306-2619(02)00045-4.Деспотули А.Л., Андреева А.В. Перспективы развития в России глубоко субвольтовой наноэлектроники и связанных с ней технологий. – Т. 1–16 [Итернет-ресурс]. URL: http://www.nanometer.ru/2008/02/08/nanoelektronika_5900.html.Despotuli A.L., Andreeva A.V. Perspektivy razvitija v Rossii gluboko subvol'tovoj nanojelektroniki i svjazannyh s nej tehnologij, pp. 1–16. [Internet resurs]. URL: http://www.nanometer.ru/2008/02/08/nanoelektronika_5900.html [in Russian].PCT – patent WO 2021/10/107909 A1 from 03.06.2021 CHEMOELECTRONIC CONVERTER BASED ON ZrO2-3mol%Y2O3 NANOPOWDERS", applicant LIMITED LIABILITY COMPANY "NANOTECHCENTER", Ukraine Authors: Shylo Artem, Doroshkevich Oleksandr, Zelenyak Tatyana, Konstantinova Tetyana, Lyubchyk Svitlana, Lyubchyk Sergiy, Lyubchyk Andriy, Lygina Olena. Patent Application Number No.PCT/UA2019/000147 (26.11.2019).PCT – patent WO 2021/10/107909 A1 from 03.06.2021 CHEMOELECTRONIC CONVERTER BASED ON ZrO2-3mol%Y2O3 NANOPOWDERS", applicant LIMITED LIABILITY COMPANY "NANOTECHCENTER", Ukraine Authors: Shylo Artem, Doroshkevich Oleksandr, Zelenyak Tatyana, Konstantinova Tetyana, Lyubchyk Svitlana, Lyubchyk Sergiy, Lyubchyk Andriy, Lygina Olena. Patent Application Number No.PCT/UA2019/000147 (26.11.2019).Константинова Т.Е., Пилипенко Н.П., Волкова Г.К., Глазунова В.А., Даниленко И.А., Токий Н.В., Токий В.В., Дорошкевич А.С., Носолев И.К. Нанопорошки на основе диоксида циркония: получение, исследование, применение // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: збірник наукових праць. – 2004 – Т. 2. – № 2. – С. 609–631.Konstantinova T.E., Pilipenko N.P., Volkova G.K., Glazunova V.A., Danilenko I.A., Tokij N.V, Tokij V.V., Doroshkevich A.S., Nosolev I.K. Nanoporoshki na osnove dioksida cirkonija: poluchenie, issledovanie, primenenie. Nanosistemi, nanomaterіali, nanotehnologії: zbіrnik naukovih prac', 2 (2), 609–631. 2004 [in Russian].Гладких Н.Т., Крышталь А.П., Богатыренко С.И. Температура плавления наночастиц и энергия образования вакансий в них // Журнал технической физики. – 2010. – Т. 80. – № 11. – С. 111–No. 2(73) 2025 TECHNICAL UNIVERSITYGladkih N.T., Kryshtal' A.P., Bogatyrenko S.I. Temperatura plavlenija nanochastic i jenergija obrazovanijavakansij v nih. Zhurnal tehnicheskoj fiziki, 80 (11), 111–114 (2010) [in Russian].Nielson F.P. Ribeiro A., Mariana M.V.M. et al. Investigating the microstructure and catalytic properties of Ni/YSZ cermetsas anodes for SOFC applications // Applied Catalysis A: General. – 2009. – Vol. 353. – P. 305–309.Nielson F.P. Ribeiro A., Mariana M.V.M. et al. Investigating the microstructure and catalytic properties of Ni/YSZ cermetsas anodes for SOFC applications. Applied Catalysis A: General, 353, 305–309 (2009).Swadesh K. Pratihar, A. Das Sharma1, et al. Electrical behavior of nickel coated YSZ cermet preparedby electroless coating technique // Materials Chemistry and Physics. – 2006. – Vol. 96. – P. 388–395.Swadesh K. Pratihar, A. Das Sharma1, et al. Electrical behavior of nickel coated YSZ cermet preparedby electroless coating technique. Materials Chemistry and Physics, 96, 388–395 (2006).Yu H., Gun Woo Park, Shiwoo Lee et al. Microstructural effects on the electrical and mechanicalproperties of Ni–YSZ cermet for SOFC anode // Journal of Power Sources. – 2007. – Vol. 163. – P. 926–932.Yu H., Gun Woo Park, Shiwoo Lee et al. Microstructural effects on the electrical and mechanicalproperties of Ni–YSZ cermet for SOFC anode. Journal of Power Sources, 163, 926–932 (2007).Haberko K., Jasinski M., Pasierb P., Radecka M., Rekas M. Structural and electrical properties of Ni–YSZ cermet materials // Journal of Power Sources. – 2010. – Vol. 195. – P. 5527–5533.Haberko K., Jasinski M., Pasierb P., Radecka M., Rekas M. Structural and electrical properties of Ni–YSZ cermet materials. Journal of Power Sources, 195, 5527–5533 (2010).Gallego, Beltraґn J.I., Mu˜noz M.C. et al. Adhesion at metal–ZrO2 interfaces // Surface Science Reports. – 2006. – Vol. 61. – P. 303–344.Gallego, Beltraґn J.I., Mu˜noz M.C. et al. Adhesion at metal–ZrO2 interfaces. Surface Science Reports, 61, 303–344 (2006).Ryan M.C. Clemmer, Stephen F. Corbin The influence of pore and Ni morphology on the electrical conductivity of porous Ni/YSZ composite anodes for use in solid oxide fuel cell applications // Solid State Ionics. – 2009. – Vol. 180. – P. 721–730.Ryan M.C. Clemmer, Stephen F. Corbin The influence of pore and Ni morphology on the electrical conductivity of porous Ni/YSZ composite anodes for use in solid oxide fuel cell applications . Solid State Ionics ,180, 721–730 (2009).Altynbassova A., Doroshkevich A., Appazov N., Kibardina E., Ainabekova E., Perez Moreno A. and Slavkova Z. А method for studying the electrical capacity of a ZrO2-based nanopowder system // Eurasian Journal of Physics and Functional Materials. – 2024. – Vol. 8. – No. 4. – Article 4. https://doi.org/10.69912/2616-8537.1235.Altynbassova A., Doroshkevich A., Appazov N., Kibardina E., Ainabekova E., Perez Moreno A. and Slavkova Z. А method for studying the electrical capacity of a ZrO2-based nanopowder system. Eurasian Journal of Physics and Functional Materials, 8 (4), Article 4 (2024). https://doi.org/10.69912/2616-8537.1235.Дорошкевич А.С., Шило А.В., Волкова Г.К., Зеленяк Т.Ю., Глазунова В.А., Бурховецкий В.В., Лоладзе Л.В., Брюханова И.И., Синякина С.А., Турченко В.А., Боднарчук В.И., Дорошкевич В.С., Краус М.Л. Особенности структурообразования нанопорошковых систем на основе ZrO2 в условиях высокого гидростатического давления: Материалы конф. «Химические проблемы современности», 16–18 мая, ДонНУ, г. Донецк, Украина. – С. 181–182.Doroshkevich A.S., Shilo A.V., Volkova G.K., Zelenjak T.Ju., Glazunova V.A., Burhoveckij V.V., Loladze L.V., Brjuhanova I.I., Sinjakina S.A., Turchenko V.A., Bodnarchuk V.I., Doroshkevich V.S., Kraus M.L. Osobennosti strukturoobrazovanija nanoporoshkovyh sistem na osnove ZrO2 v uslovijah vysokogo gidrostaticheskogo davlenija. Materialy konf. “Himicheskie problemy sovremennosti” 16–18 maja (DonNU, g. Doneck, Ukraina), pp. 181–182 [in Russian].Дорошкевич А.С., Любчик А.И., Шило А.В., Зеленяк Т.Ю., Глазунова В.А., Бурховецкий В.В., Сапрыкина А.В., Холмуродов Х.Т., Носолев И.К., Дорошкевич В.С, Волкова Г.К., 18 Константинова Т.Е., Боднарчук В.И., Гладышев П.П., Турченко В.А., Синякина С.А. Эффект хемо-электронной конверсии энергии в нанопорошковых системах на основе диоксида циркония // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. – 2017. – №. 5. – С. 48–55. https://doi.org/10.7868/S0207352817050055.Doroshkevich А.S., Ljubchik A.I., Shilo A.V., Zelenjak T.Ju., Glazunova V.A., Burhoveckij V.V., Saprykina A.V., Holmurodov H.T., Nosolev I.K., Doroshkevich V.S., Volkova G.K., Konstantinova T.E., Bodnarchuk V.I., Gladyshev P.P., Turchenko V.A., Sinjakina S.A. Jeffekt hemo-jelektronnoj konversii jenergii v nanoporoshkovyh sistemah na osnove dioksida cirkonija. Poverhnost''. Rentgenovskie, sinhrotronnye i nejtronnye issledovanija, 5, 48–55 (2017). https://doi.org/ 10.7868/S0207352817050055 [in Russian].

The authors declare that there are no conflicts of interest present.