Синтез высококачественных прекурсоров и определение термической стабильности нанокомпозиций на основе ZrO2

Таким образом, распад твёрдого раствора на основе ZrO2 происходит при температурах выше 550 0С. Средний размер частиц оценивали по формуле Селякова – Шерера [5] и также с помощью просвечивающей электронной микроскопии (рис. 2).

Рис. 2 Микрофотографии композиций 90% ZrO2–10% In2O3, с повторной термообработкой продолжительностью 30мин., при различных температурах: а) 300°С, б) 550°С, в) 420°С, г) 650°С. Размер метки 1см – 70нм.

В таблице представлены результаты оценки размера наночастиц.

Таблица

Зависимость размера частиц композиций состава 10 мол .%In2O3 ─ 90 мол. % ZrO2, полученных после гидротермальной обработки (70 МПа, 400 0С,1ч ) от температуры изотермической выдержки в течение 30 мин

РДФА* ─ рентгенодифрактометрический анализ;

ПЭМ** ─ просвечивающая электронная микроскопия.

Размеры частиц при температурах 300 ─ 460 0С изменяются незначительно и составляют 13 ─ 27 нм. Образцы, термообработанные при температурах 550 0С и 6500С имеют размер частиц от 35 до 70 нм, то есть размеры частиц увеличиваются с ростом температуры.

Возможность стабилизации при низкой температуре кубической или тетрагональной модификации объясняется их меньшей удельной поверхностной энергией по сравнению с моноклинной. При 298 К удельная поверхностная энергия кубической модификации равна 7,5∙10─5 Дж/см2, тетрагональной ─ 7,7∙10─5 Дж/см2, а моноклинной ─ 11,3∙10─5 Дж/см2 [6]. Присутствие в решётке ZrO2 катионов индия приводит к ещё большему уменьшению поверхностной энергии и возможности устойчивого существования частиц несколько большего размера метастабильной кубической или тетрагональной фазы.

В данной работе проведено исследование системы ZrO2 – In2O3 методом дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК). Установлено, что общая потеря массы образца 10 мол.% In2O3 – 90 мол.% ZrO2 при нагревании до температуры 1300°С составляет 11.2 масс. %. Потери массы на участке 20 – 200°С, 200 – 400°С составляют 5.2 масс.% и 3.5 масс.% соответственно, что, по-видимому, связано с удалением адсорбционной воды, которая характерна для этой гидрофильной системы. Остальная потеря массы вплоть до 1300°С составляет 2.5 масс.% и связана с удалением координационной воды, вероятно, входящей в структуру системы ZrO2 – In2O3. Таким образом, наличие воды в структуре фиксируется при достаточно высоких температурах.

Таким образом, важным фактором, ограничивающим область существования неравновесной тетрагональной (кубической) фазы, вероятно, является количество ионов ОН-, удерживаемых в структурах нанокристаллов в условиях неравновесной термической обработки.

Полученные данные позволяют целенаправленно определять условия термической обработки материалов, находящихся в неравновесном состоянии с целью сохранения их фазового состава, что имеет важное значение в технологии производства керамических материалов.