ВЛИЯНИЕ ВЫБОРА ИСХОДНОГО МАТЕРИАЛА НА ФАЗОВЫЙ СОСТАВ И ФАЗОВУЮ СТАБИЛЬНОСТЬ ЧАСТИЦ ZRO₂, СИНТЕЗИРОВАННЫХ ГИДРОТЕРМАЛЬНЫМ МЕТОДОМ

В данной работе был исследован фазовый состав, микроструктура и фазовая стабильность образцов диоксида циркония, полученных методом гидротермального синтеза из разных исходных материалов. Установлено, что при использовании в качестве исходного материала ZrOCl₂·8H₂O образуются частицы диоксида циркония с содержанием моноклинной и тетрагональной (кубической) фазы, в то же время при использовании в качестве исходного материала ZrO(NO₃)₂·2H₂O в образцах идентифицирована только моноклинная фаза. Размеры ОКР, рассчитанные с применением уравнения Шеррера, находятся в диапазоне от 9 до 40 нм. Анализ СЭМ-изображений экспериментальных образцов показал, что наночастицы образуют конгломераты с размерами в несколько микрон. Исследование фазовой стабильности t, с – ZrO₂ фазы от температурного воздействия показало, что t, с – ZrO₂ является метастабильной фазой с размерами ОКР до отжига 10 нм. При повышении температуры отжига происходит постепенная трансформация метастабильной t, с – ZrO₂ в моноклинную, вследствие протекания процессов изменения поверхностой энергии и разрастания частиц, а также спекания конгломератов в более крупные монолитные частицы.

1. Mandal S. et al. Designing environment-friendly chromium-free Spinel-Periclase-Zirconia refractories for Ruhrstahl Heraeus degasser. Journal of the American Ceramic Society, vol. 103, no. 12, 2020, pp. 7095–7114, https://doi.org/10.1111/jace.17402

2. Kozlovskiy A.L. et al. Study of Radiation Damage Kinetics in Dispersed Nuclear Fuel on Zirconium Dioxide Doped with Cerium Dioxide. Journal of Composites Science, vol. 7, no. 7, 2023, P. 277. https://doi.org/10.3390/jcs7070277

3. Albayrak S. et al. Influence of nano-scaled zirconia particles on the electrical properties of polymer insulating materials. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 19, no.1, 2012, pp. 76–82. https://doi: 10.1109/TDEI.2012.6148504.

4. Clarke D.R., Levi C.G. Materials Design for the Next Generation Thermal Barrier Coatings. Annu Rev Mater Res, vol. 33, no. 1, 2023, pp. 383–417. https://doi.org/10.1146/annurev.matsci.33.011403.113718.

5. Hannink R.H.J., Murray M.J., Scott H.G. Friction and wear of partially stabilized zirconia: Basic science and practical applications. Wear. Elsevier, vol. 100, no. 1–3, 1984, pp. 355–366. https://doi.org/10.1016/00431648(84)90021-8.

6. Ravi Kumar K., Pridhar T., Sree Balaji V.S. Mechanical properties and characterization of zirconium oxide (ZrO2) and coconut shell ash(CSA) reinforced aluminium (Al 6082) matrix hybrid composite. J Alloys Compd. Elsevier, vol. 765, 2018, pp. 171–179. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.06.177.

7. Cousland G.P. et al. Mechanical properties of zirconia, doped and undoped yttria-stabilized cubic zirconia from first-principles. Journal of Physics and Chemistry of Solids. Pergamon, vol. 122, 2018, pp. 51– 71. https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2018.06.003.

8. Khajavi P. et al. Improving the fracture toughness of stabilized zirconia-based solid oxide cells fuel electrode supports: Effects of type and concentration of stabilizer(s). J Eur Ceram Soc., vol. 40, no. 15, 2020, pp. 5670–5682. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2020.05.042.

9. Qin W. et al. Tetragonal phase stability in ZrO2 film formed on zirconium alloys and its effects on corrosion resistance. Acta Mater., vol. 55, no. 5, 2007, pp. 1695–1701. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2006.10.030

10. Reddy Ch.V. et al. Synthesis and characterization of pure tetragonal ZrO2 nanoparticles with enhanced photocatalytic activity. Ceram Int., vol. 44, no. 6, 2018, pp. 6940–6948. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2018.01.123.

11. Sidhu G.K., Kumar R. Role of anionic and cationic surfactants on the structural and dielectric properties of ZrO2 nanoparticles. Appl Surf Sci., vol. 392, 2017, pp 598–607. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2016.09.084.

12. Shadiya M.A. et al. On the facile polyvinyl alcohol assisted sol-gel synthesis of tetragonal zirconia nanopowder with mesoporous structure. Advanced Powder Technology, vol. 28, no. 12, 2017, pp. 3148–3157. https://doi.org/10.1016/j.apt.2017.09.029.

13. Guel M.L.A., Jiménez L.D., Hernández D.A.C. Ultrasound-assisted sol-gel synthesis of ZrO2. Ultrason Sonochem, vol. 35, 2017, pp. 514–517. https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2016.09.010.

14. Abdu. I. Abdallah M. Sayed M.A.A.H.E.Y., Naga S.M. Characterization of in-situ zirconia/mullite composites prepared by sol-gel technique. Journal of Asian Ceramic Societies. Taylor & Francis, vol. 9, no. 3, 2021, pp. 940–946. https://doi.org/10.1080/21870764.2021.1929738.

15. Szepesi C.J., Adair J.H. High Yield Hydrothermal Synthesis of Nano-Scale Zirconia and YTZP. Journal of the American Ceramic Society, vol. 94, no.12, pp. 4239–4246. https://doi.org/10.1111/j.15512916.2011.04806.x.

16. Toraya H., Yoshimura M., Somiya S. Calibration Curve for Quantitative Analysis of the MonoclinicTetragonal ZrO2 System by X-Ray Diffraction. Journal of the American Ceramic Society, vol. 67, no. 6, 1984, pp. 119–121. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1984.tb19715.x

17. Tahmasebpour M., Babaluo A.A., Aghjeh M.K.R. Synthesis of zirconia nanopowders from various zirconium salts via polyacrylamide gel method. J. Eur. Ceram. Soc., vol. 28, no. 4, 2008, pp. 773–778. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2007.09.018.

18. Shukla S., Seal S. Mechanisms of room temperature metastable tetragonal phase stabilisation in zirconia. International Materials Reviews. Taylor & Francis, vol. 50, no. 1, 2005, pp. 45–64. https://doi.org/10.1179/174328005X14267.

19. Kolen’ko Yu.V. et al. Physicochemical properties of nanocrystalline zirconia hydrothermally synthesized from zirconyl chloride and zirconyl nitrate aqueous solutions. Zhurnal Neorganicheskoj Khimii. Russian Federation, vol. 49, no. 8, 2004, pp. 1237–1242.

20. Mohsen Q. et al. Effect of pH on Hydrothermal Synthesis of ZrO2 Nanoparticles and their Electrocatalytic Activity for Hydrogen Production. Int. J. Electrochem. Sci., vol. 17, no. 7, 2022, P. 22073. https://doi.org/10.20964/2022.07.24.

21. Liu S. et al. Tetragonal Nanosized Zirconia: Hydrothermal Synthesis and Its Performance as a Promising Ceramic Reinforcement. Inorganics (Basel), vol. 11, no. 5, P. 217. https://doi.org/10.3390/inorganics11050217.