WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


 

На правах рукописи

Ляшенко Лариса Прохоровна

ФАЗООБРАЗОВАНИЕ В СЛОЖНЫХ ОКСИДАХ ПЕРЕХОДНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

02.00.04 – физическая химия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора химических наук

Черноголовка 2010

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук

Институте проблем химической физики РАН, г. Черноголовка

Научный консультант: доктор химических наук

  Щербакова Лидия Григорьевна

Официальные оппоненты:

  доктор химических наук, профессор

  Скориков Виталий Михайлович

  доктор физико-математических наук

  Антонов Владимир Евгеньевич

  доктор химических наук, профессор

  Михайлов Альфа Иванович

Ведущая организация: Институт структурной макрокинетики и материаловедения РАН (ИСМАН).

       Защита состоится “ ” июня 2010 года в 00 ч на заседании диссертационного совета Д 002.082.01 при Институте проблем химической физики РАН по адресу: 142432, Московская обл., г. Черноголовка, проспект академика Семенова, 1, корпус , актовый зал.

       С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института проблем химической физики РАН.

Автореферат разослан “  ” 2010 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат физико-математических наук Безручко Г.С.

ОБЩАЯ  ХАРАКТЕРИСТИКА  РАБОТЫ

Актуальность темы. Создание новой техники определяется успехами в получении новых материалов на основе сложных оксидных соединений. Их применение позволяет создавать принципиально новые конструкции, решать проблемы, важные для радиоэлектроники, космонавтики, атомной энергетики, МГД-генераторов, твердооксидных топливных ячеек и др.

       Получение новых материалов связано с синтезом и изучением новых типов химических соединений, обладающих совокупностью свойств, удовлетворяющих требованиям сложных технических задач. Материалы испытывают фазовые превращения или структурные перестройки при изменении состава, температуры, давления, газовой среды, электромагнитных полей и др., что оказывает влияние на их физико-химические свойства. Исследование механизма этих процессов актуально, так как открывает большие возможности для разработки новых материалов с заданными свойствами и создания новых технологий.

       Изучение механизма твердофазного взаимодействия методом диффузионных слоев позволяет установить направление и скорость массопереноса, определить набор фаз, в том числе и метастабильных, последовательность их образования и концентрационные границы существования. Проведенные в работе исследования позволили определить ряд новых соединений и построить схемы диаграмм состояния в тройных оксидных системах.

       С научной и практической точек зрения огромную роль играет изучение влияния неравновесного состояния высокодисперсных продуктов механической активации исходных компонентов на процессы механохимического синтеза, особенности структуры и физико-химические свойства сложных оксидных соединений.

       В последнее время большое внимание уделяется наноструктурированным материалам в связи с необычностью их свойств. Уменьшение размеров наноблоков в материале может влиять на параметры элементарной ячейки, кислородную стехиометрию, электрические, оптические, механические и другие свойства. Проведенное изучение твердофазных процессов, ведущих к образованию наночастиц при синтезе материалов на основе оксидов титана и кремния, чрезвычайно актуально. В связи с требованием получения материалов с высокой кислород-ионной проводимостью для твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ) экологически чистых источников энергии, чрезвычайно важно знать влияние процессов порядок-беспорядок и наноструктурирования на проводимость кислородсодержащих соединений. Наноструктурированные материалы находят широкое применение в качестве катализаторов и их носителей, пьезоэлектриков, ионных проводников, газовых сенсоров, ТОТЭ, и др.

       Открытие высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) в керамических материалах на основе оксидов меди создало принципиально новые возможности для практических применений явления сверхпроводимости в сверхпроводниковой электронике и сильноточной технике. Изученные в работе вопросы стабилизации кислорода в ВТСП, а также улучшения механических и электротехнических характеристик - актуальны. Важным вопросом является исследование явлений, возникающих на межфазной границе в композитных ВТСП-материалах. Изучение фундаментальных основ фазообразования при диффузионном взаимодействии в модельных моно- и поликристаллических ВТСП-системах является основой для создания принципиально новой техники.

       Особую актуальность имеют исследования механизмов твердофазных процессов в новых материалах на основе сложных оксидных соединений: купратных ВТСП, электропроводящих титанатах, цирконатах, гафнатах редкоземельных элементов и силикатах.

       Важность выполненной работы определяется тем, что физико-химические свойства исследованных новых материалов и их связь со структурой при изменении состава и структурных перестройках определяют критерии их использования в технике. Рассматриваемая проблема является частью современной фундаментальной кристаллохимии, требующей дальнейшего развития.

       Разработка научного направления фазообразование в сложных оксидах – является актуальной задачей, как с фундаментальной, так и практической точек зрения.

Цель работы. Изучение механизма фазообразования, включая массо- и электроперенос, наноструктурирование, структурные перестройки и фазовые переходы, в новых материалах на основе сложных оксидов переходных элементов.

Основные защищаемые положения.

  • Механизм фазообразования в системах R2O3BaOCuO (R=РЗМ и Y) и схемы фазовых равновесий.
  • Структурные и электрические характеристики моно- и поликристаллов Y(Dy)Ba2Cu3O7-δ.
  • Механизм взаимодействия YBa2Cu3O7-δ с малыми добавками различных оксидов.
  • Концентрационные границы твердых растворов на основе Ba2CuO3; их структурные и электрические характеристики.
  • Схема фазовой диаграммы в системе TiO2Cr2O3La2O3 при 1300оС, образование новых фаз, их структурные и электрические свойства.
  • Общие закономерности и природа образования низкотемпературных флюоритоподобных титанатов, цирконатов, гафнатов при синтезе различными методами.
  • Природа и общие закономерности образования нанодоменов во флюоритоподобных титанатах, цирконатах и гафнатах с высокой плотностью структурных дефектов.
  • Механизм структурообразования в модифицированых материалах на основе SiO2 и LiAlSi3O8.

Научная новизна работы заключается в определении механизма и общих закономерностей химических и фазовых превращений в новых соединениях, синтезированных различными методами: диффузионных слоев, керамическим из соосажденных и механически активированных продуктов, СВС, кристаллизацией стекла.

       В качестве объектов исследования служили сложные кристаллические системы: оксидные ВТСП, твердооксидные ионики титанаты, цирконаты и гафнаты РЗМ, новые хромсодержащие оксидные перовскиты и стеклокристаллические материалы на основе оксида кремния.

       Впервые методом диффузионных слоев в рассмотренных системах изучены твердофазные реакции (направление и механизм массопереноса, последовательность образования фаз, концентрационные границы их существования) и физико-химические явления, сопровождающие реакционную диффузию образование диффузионной пористости, когерентное сращивание кристаллических решеток различных фаз, распад пересыщенных твердых растворов и др.

       Методом диффузионных слоев впервые получены объемные ВТСП-монокристаллы Y(Dy)Ba2Cu3O7-δ и определены их структурные и электрические характеристики.

       Изучено влияние модифицирования YBa2Cu3O7-δ-керамики малыми добавками (1 мол.%) различных оксидов на сверхпроводящие свойства.

       Впервые синтезированы твердые растворы на основе купрата бария, легированного оксидами редкоземельных металлов, иттрия и кадмия; определены концентрационные границы их существования и изучены структурные, оптические и электрофизические характеристики.

       Дополнены треугольные схемы диаграмм фазовых равновесий в системах R2O3BaOCuO (R=DyLu и Y) при 930оС.

       Получены новые фазы на основе оксидов титана, лантана и хрома, определены концентрационные границы их существования, изучены структурные и электрофизические свойства.

       Впервые построена схема тройной диаграммы фазовых равновесий системы Cr2O3La2O3TiO2 при 1300оС.

       Впервые установлены общие закономерности процессов фазообразования при керамическом синтезе титанатов, цирконатов, гафнатов редкоземельных оксидов из неравновесных механически активированных и соосажденных продуктов (t<1000оС). Установлена природа образования метастабильных низкотемпературных флюоритоподобных фаз.

       Впервые обнаружено наноструктурирование в титанатах скандия, иттрия, эрбия, самария и цирконатах, гафнатах гадолиния; установлена природа и общая закономерность его возникновения.

       Впервые изучены процессы фазообразования в модифицированной кварцевой керамике и литийалюмосиликатном ситалле – важных конструкционных материалах.

Научно-практическое значение работы.

1. Разработан метод создания диффузионных пар, для определения механизма фазообразования в сложных оксидах, и получения ВТСП-монокристаллов.

  1. Определены концентрационные границы существования фаз в ВТСП системах R2O3BaOCuO (R=Dy–Lu и Y) с применением метода диффузионных слоев.
  2. Выполнено модифицирование RхYBa2-хCu3O7-δ (R=РЗМ и Sc), позволяющее получать ВТСП-фазы с повышенным содержанием кислорода в процессе высокотемпературного синтеза.
  3. Получен твердый раствор на основе цирконата бария BaY0.03Cu0.14Zr0.83O2.845, который может быть использован в качестве реакционно-инертных подложек для тонко- и толстопленочных YBa2Cu3O7-δ-покрытий.
  4. Найдены оптимальные составы ВТСП композитного материала YBa2Cu3O7-δ/ZrO2, не снижающие температуру сверхпроводящего перехода, и установлен механизм их взаимодействия.
  5. Найдены устойчивые перовскитоподобные твердые растворы на основе купрата бария RxBa2-xCuO3+δ и YxBa2-xCdyCu1-yO3+δ, которые могут служить прекурсорами при синтезе ВТСП-материалов.
  6. Получены новые перовскитоподобные соединения на основе оксидов титана, хрома и лантана, представляющие интерес для создания твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ).
  7. Разработан метод использования наноструктурированного Sc4Ti3O12 в качестве носителя комплексного катализатора гидрирования при получении сложных органических красителей.
  8. Найдены оптимальные значения концентраций модификаторов для повышения работоспособности конструкционных материалов на основе SiO2.
  9. Разработаны методы получения химических соединений в модельных оксидных диффузионных парах, являющиеся наглядным пособием при чтении лекций по физическому материаловедению в ВУЗах.

       Апробация работы. Материалы диссертации представлены на международных и отечественных конференциях, симпозиумах и совещаниях, основными из которых являются:

7-ое Всесоюзное совещание по физико-химическому анализу (Фрунзе, 1988); ΧΙV Менделеевский съезд по общей и прикладной химии (Ташкент, 1989); the 8-th CIMTEC “Forum on new materials” (Italy, Florence, 1994); 17 Российская конференция по электронной микроскопии (Черноголовка, 1998); 12-ый Симпозиум “Современная химическая физика” (Туапсе, 2000); Международный симпозиум “Порядок беспорядок и свойства оксидов (ODPO-2001)” (Сочи, 2001); Международный симпозиум, “Порядок беспорядок и свойства оксидов (ODPO-2002)” (Сочи, 2002);  VIII Всероссийское совещание “Высокотемпературная химия силикатов и оксидов” (СПб, 2002); “III Национальная кристаллохимическая конференция” (Черноголовка, 2003); Международный симпозиум “Фазовые превращения в твердых растворах и сплавах (OМА-2003)” (Сочи, 2003); 16-ый Симпозиум “Современная химическая физика” (Туапсе, 2004); 17-ый Симпозиум “Современная химическая физика” (Туапсе, 2005); 18-ый Менделеевский съезд по общей и прикладной химии (Москва, 2007); 9-ое Совещание с международным участием “Фундаментальные проблемы ионики твердого тела” (Черноголовка, 2008).

Личный вклад соискателя. В диссертации изложены результаты исследований, выполненных соискателем, как самостоятельно, так и в сотрудничестве с другими авторами. Личный вклад соискателя был определяющим на всех этапах работы: в формулировке задач, непосредственном выполнении большинства экспериментов, синтезе соединений (методами диффузионных слоев, спеканием, механической активации), постановке задач и проведении исследований, изучении структуры, микро- и наноструктуры, состава и свойств фаз, анализе, обработке, обобщении и трактовке полученных результатов, информационном поиске, систематизации результатов, написании статей и докладов.

Достоверность результатов работы обоснована комплексным анализом применяемых методов исследований, использованием апробированных и взаимодополняющих методик исследований, сопоставлением с известными литературными данными.

Публикации. Результаты, изложенные в диссертации, полностью и своевременно опубликованы в 37 публикациях, в том числе в 18 ведущих, рецензируемых научных российских журналах, в 8 сборниках материалов международных и отечественных конференций и в 11 сборниках тезисов конференций. Имеется одно авторское свидетельство.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, списка цитируемой литературы (372 наимен.). Работа изложена на 316 страницах, содержит 123 рисунка и 46 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

       Во введении обосновываются актуальность и выбор объектов исследования, сформулированы цель и задачи диссертационной работы, отражены новизна полученных результатов, их фундаментальное и прикладное значение; приводятся основные положения, которые выносятся на защиту.

       В первой главе “Твердофазные процессы в оксидных системах” дан литературный обзор, состоящий из трех частей.

       В первой части приведены сведения о ВТСП-соединениях в системах R2O3–BaO–CuO (R=РЗМ и Y): о структуре и влиянии катионного замещения и кислородной стехиометрии на температуру сверхпроводящего перехода (Тс), о фазовых соотношениях в системе Y2O3–BaO–CuO; систематизированы оксидные сверхпроводники, полученные к моменту написания диссертации.

       Во второй части приводятся сведения необходимые для дальнейшего изложения: общие сведения о высокотемпературном взаимодействии оксидов титана, циркония, гафния и РЗМ, иттрия, скандия, дана их кристаллическая структура. Описываются основные типы фазовых диаграмм систем с указанными оксидами и образующиеся в них соединения и фазы. В связи с перспективностью использования оксидных материалов с высокой проводимостью в ТОТЭ, особое внимание уделено электрическим и структурным свойствам оксидных электролитов с флюорито- и пирохлорподобными структурами (на основе ZrO2, CeO2 и A2B2O7), со структурой слоистого перовскита, а также сложных хромсодержащих перовскитов с электронным типом проводимости.

       В третьей части литературного обзора даны структурные и физико-химические характеристики материалов на основе SiO2 и системы Li2O–Al2O3–SiO2.

На основании проведенного информационного поиска сделаны выводы о перспективности направлений исследования и сфер практического применения.

       Во второй главе “Методика эксперимента” описаны методы синтеза (диффузионных слоев, механохимический, соосаждения из растворов, самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС)) и исследования образцов.

Объектами исследования служили поликристаллические образцы, полученные по обычной керамической технологии или из соосажденных и механически активированных смесей оксидов.

Детально описана методика приготовления диффузионных пар. Компоненты диффузионных пар состояли из различных моно- или поликристаллических оксидов или их соединений, заданного состава.

       По керамической технологии образцы получали обычным перемешиванием исходных компонентов с добавлением этилового спирта. В случае если исходный компонент находился в виде карбоната (например, BaCO3), проводили предварительный отжиг порошковой смеси заданного состава при 900оС для удаления CO2.

       Соосаждение гидроксидов R3+ и Ti4+(Zr4+, Hf4+) проводили из солянокислых растворов с помощью гидроксида аммония.

       Механическую активацию образцов проводили на воздухе в дискретном режиме для предотвращения локальных перегревов (2 минуты – помол, 20 минут – охлаждение, доза механической активации D=15÷17 кДж/г). В процессе механической активации температура разогрева изученных оксидных смесей не превышала ~100оС.

       При синтезе керамических материалов методом СВС использовали экзотермическую реакцию, протекающую между перекисью металла (CrO3–твердым окислителем) и металлом (Ti или La–горючим). Реакция горения запускается поджогом вольфрамовой нити в порошкообразной смеси компонентов реакции горения. Термодинамический расчет, выполненный по стандартной методике, показал, что температура СВС для изученных составов велика ~4000 К.

       Особое внимание уделено особенностям экспериментальных методов, использованных в работе: рентгенографическому при комнатной температуре, локальному рентгеноспектральному анализу, резистивному и индуктивному методам измерения температуры сверхпроводящего перехода, импедансной спектроскопии, инфракрасной спектроскопии, микротвердости; дифференциальному термическому, термогравиметрическому анализам и масс-спектрометрии.

       Третья глава “Фазообразование в системах R2O3BaOCuO (R=РЗМ и иттрий)“ посвящена изучению твердофазных процессов в ВТСП системах с использованием метода диффузионных слоев и керамической технологии.

       Впервые проведенное изучение взаимной диффузии в диффузионных парах Y2O3(Dy2O3)/(BaO:CuO) и Y2O3(Dy2O3)/(2BaO3CuO) (tотжига=930оС, τ=100 ч) позволило установить реализующиеся в этих системах фазы, концентрационные границы их существования, последовательность образования в процессе твердофазного синтеза, направление массопереноса и механизм диффузии (рис. 1, 2). Взаимная диффузия в этих системах осуществляется в результате преимущественной диффузии катионов меди и бария в монокристалл Y2O3(Dy2O3) по вакансионному механизму.

       Электронно-зондовые исследования диффузионных слоев, образующихся в диффузионных парах Y2O3/(BaO:CuO) и Y2O3/(2BaO3CuO), наглядно показали, что в результате реакционной диффузии образуются соединения в следующей последовательности: ТР на основе Y2Cu2O5 (202) (0.1 мол.% BaO), Y2BaCuO5 (211), YBa2Cu3O7-δ (123) (равновесные фазы) и Y0.5Ba1.5CuO3+δ (132) (метастабильная фаза).

   

Рис. 1. Микрофотографии поверхности диффузионных пар Y2O3/(2BaO:3CuO) (а) и Y2O3/(BaO:CuO) (б) (t=930оС, τ=100 ч) в отраженных электронах: а) 1 – Y2O3, 2 – Y2BaCuO5, 3 – YBa2Cu3O7-δ;  б) 1 – Y2O3, 2 – ТР на основе Y2Cu2O5 (0.1 мол.% BaO), 3 – Y2BaCuO5.

В отдельных монокристаллах, полученных в диффузионной зоне, отмечено незначительное изменение состава: Y1+xBa2-хCu3-уO7-δ (х, у0.02, δ<1).

       Фазы, существующие в рассматриваемой системе, согласно равновесной диаграмме состояния, не всегда присутствуют в диффузионной зоне, их наличие определяется начальными условиями на гетерогранице и значениями коэффициентов взаимной диффузии в диффузионных слоях.

       Поэтому, с целью обнаружения новых фаз впервые выполнено исследование диффузионных процессов в системе Dy2O3BaOCuO (рис. 2).

       В диффузионных слоях диспрозиевой системы установлено образование следующих фаз: Dy2BaCuO5, Dy1+xBa2-хCu3-уO7-δ (х, у0.02, δ<1) и ранее не наблюдавшегося твердого раствора Ba2-xDyxCuO3+δ, состоящего из двух дискретных по составу слоев с 0.20х0.25 и х≈0.46.

       Таким образом, в сверхпроводящей фазе отмечена незначительная нестехиометрия по катионному составу Y1+х(Dy1+x)Ba2-хCu3-уO7-δ (х, у0.02, δ<1), что указывает на возможность замещения позиций бария ионами иттрия (диспрозия) в указанных пределах. В соединении Y2(Dy2)BaCuO5 областей гомогенности по катионному составу не обнаружено.

  а   б 

Рис. 2. Микрофотографии поверхности диффузионных пар Dy2O3/(BaO:CuO) (а) и Dy2O3/(2BaO:3CuO) (б) (t=930оС, τ=100 ч) в отраженных электронах:

а) 1 – Dy2O3, 2 – Dy2BaCuO5, 3 – Ba2-xDyxCuO3+δ (0.20х0.25 и х≈0.46, δ<1), 4 – трещина, заполненная эпоксидной смолой, 5 – BaCuO2;  б) 1 – Dy2O3, 2 – Dy2BaCuO5, 3 – Dy1+xBa2-хCu3-уO7-δ (х, у0.02, δ<1) в правом нижнем углу дано увеличенное изображение поверхности диффузионной пары вблизи границы раздела фаз.

       Проведенные исследования показали, что механизм образования сверхпроводящей 123-фазы при твердофазном синтезе происходит следующим образом. В результате преимущественной диффузии ионов меди и бария в монокристалл Y2O3 сначала образуется Y2Cu2O5, затем Y2BaCuO5, за счет которого растет YBa2Cu3O7-δ.

       Впервые методом диффузионных слоев получены объемные сверхпроводящие монокристаллы с ромбической структурой YBa2Cu3O7-δ (а=3.833, b=3.881, c=11.709 , b/a=1.012; Тс=80 К) и DyBa2Cu3O7-δ (а=3.847(3), b=3.881(2), c=11.704(7) , b/a=1.009; Тc=70 К) (рис. 3).

       Монолитное сращивание 123 и 211 фаз указывает на возможность использования Y2(Dy2)BaCuO5 в качестве подложки для тонко- и толстопленочных Y(Dy)Ba2Cu3O7-δ-покрытий.

       Полученный по керамической технологии поликристаллический DyBa2Cu3O7-δ имеет следующие характеристики: a=3.832(3), b=3.879(1), c=11.704(2) , V=174.0(2) 3 и b/a=0.012; Tc=82.5 K. Значения его микротвердости и удельного электросопротивления при комнатной температуре соответственно составили 8.24±0.05 ГПа и 1.93×10-4 Ом м.

 

       Для улучшения физико-химических характеристик ВТСП-материала выполнено модифицирование YBa2Cu3O7-δ-фазы малыми добавками различных оксидов.

       В отличие от традиционного подхода модифицирования ВТСП методом замещения компонентов структуры ионами легирующих добавок, был выбран метод введения малых оксидных добавок в YBa2Cu3O7-δ-фазу сверх стехиометрии. Такой подход позволил установить энергетически наиболее выгодные позиции замещения исходных ионов легирующими в соответствии с размерами взаимозамещаемых катионов.

       Получены модифицированые YBa2Cu3O7-δ-керамические материалы на основе 123-соединения, легированного оксидами РЗМ и Sc (1 мол.%), с Тс=93 К (ΔТс=2.0 К) и улучшенными механическими характеристиками.

       Результаты рентгенографических и электронно-зондовых исследований показали, что легирующие трехвалентные ионы РЗМ и Sc занимают в структуре позиции двухвалентных ионов бария, а электронейтральность в системе осуществляется за счет появления дополнительных ионов кислорода и их стабилизации в позициях слабо связанного в структуре апикального кислорода О4, связывающего сверхпроводящие плоскости CuO2 и цепи CuO1. Это позволяет получать 123-фазу с повышенным содержанием кислорода уже в процессе синтеза при 930оС и сокращает время низкотемпературного (500оС) отжига в кислороде, необходимого для получения ВТСП с оптимальным значением Тс (табл. 1).

Таблица 1. Свойства YRxBa2-xCu3O7±δ-керамики (x=0.02) (R=РЗМ и Sc).

Легирующая

добавка R2O3*

(1 мол.%) в

YBa2Cu3O7±δ

(rR3+к.ч.8, )

Параметры кристаллической ячейки, ее

объем и степень ромбичности

Тс, К

Микро-

твердость

Н, ГПа

a,

b,

c,

V, 3

b/a

YBa2Cu3O7-δ (1.015)

3.825

3.897

11.701

174.42

1.019

93.0

7.7

Sc2O3 (0.87)

3.825

3.894

11.690

174.12

1.019

93.6

8.2

La2O3 (1.18)

3.825

3.893

11.691

174.09

1.018

93.2

8.7

Nd2O3 (1.12)

3.826

3.892

11.694

174.13

1.017

93.6

8.3

Sm2O3 (1.09)

3.825

3.891

11.694

174.04

1.017

94.5

8.2

Eu2O3 (1.07)

3.826

3.892

11.691

174.09

1.017

8.5

Dy2O3 (1.03)

3.824

3.891

11.691

173.95

1.018

93.0

7.9

Ho2O3 (1.02)

3.825

3.891

11.692

174.01

1.017

8.4

Er2O3 (1.00)

3.825

3.890

11.693

173.98

1.017

93.0

8.2

Yb2O3 (0.98)

3.825

3.893

11.694

174.13

1.018

8.0

Lu2O3 (0.97)

3.825

3.892

11.694

174.09

1.018

93.0

8.6

* Ионные радиусы (r) катионов от La3+ до Lu3+ для координационного числа (к.ч.) 8 по Шанону изменяются в пределах 1.180.97 , rY3+к.ч. 8=1.015 ;  rBa2+к.ч. 10=1.52 ; rCu2+к.ч. 4=0.62 .

       Для выяснения влияния на сверхпроводящие свойства легирования YBa2Cu3O7±δ оксидами отличными от группы РЗМ в качестве допантов использовали ТiO2, FeO, CdO, V2O5 и PbO (1 мол.%). В результате рентгенографических и электронно-зондовых исследований установлено, что ионы Тi4+, Fe2+, Cd2+, V5+, имеющие размеры сравнимые с ионами меди, занимают позиции Cu2+, а более крупные ионы Pb2+ позиции Ba2+ в структуре YBa2Cu3O7±δ и снижают Тс до 8088 К.

       Таким образом, полученные результаты указывают на доминирующую роль Cu-O плоскостей в процессе возникновения сверхпроводимости.

       Установлено, что добавки до 1 мол.% ZrO2 на сверхпроводящие свойства YBa2Cu3O7-δ-керамики влияния не оказывают. Для выяснения механизма твердофазного взаимодействия ZrO2 с YBa2Cu3O7-δ впервые проведено изучение взаимной диффузии в диффузионных парах ZrO2/YBa2Cu3O7-δ с использованием метода свободной поверхности. Установлено, что массоперенос в этой системе осуществляется за счет односторонней диффузии ионов меди, бария и иттрия в монокристалл ZrO2 по вакансионному механизму. Ионы циркония в структуру 123-фазы не входят.

       В результате диффузионного взаимодействия на гетерогранице ZrO2/YBa2Cu3O7-δ образуется твердый раствор на основе цирконата бария BaYхCuуZr1-х-уО3-δ (х≤0.03, у≤0.14) и зона распада YBa2Cu3O7-δ, состоящая из ТР CuO (~0.2 мол.% ВаО и 0.03 мол.% Y2O3) и ТР BaCuO2 (~0.07 мол.% Y2O3) или Y2BaCuO5 в зависимости от использования “чистого” или стабилизированного оксидом иттрия ZrO2 соответственно.

       Таким образом, ведение в YBa2Cu3O7-δ-керамику до 1 мол.% ZrO2 ведет к распаду 123-фазы в поверхностном слое и не снижает температуру сверхпроводящего перехода (Тс=93 К, ΔТс=1.8 К). Уменьшение Тс YBa2Cu3O7-δ-керамики при введении в нее более 1 мол.% ZrO2 обусловлено процессом распада зерен ВТСП-фазы на значительную глубину.

       Впервые полученный твердый раствор на основе цирконата бария BaY0.03Cu0.14Zr0.83О2.845 может быть рекомендован для использования в качестве реакционно-инертных подложек для тонко- и толстопленочных YBa2Cu3O7-δ-покрытий.

Для определения структурных характеристик и уточнения концентрационных границ существования ТР на основе купрата бария, впервые наблюдавшихся в диффузионных слоях диспрозиевой системы, были изучены керамические образцы ТР Ba2-хDyxCuO3+δ (0х0.5). В результате рентгенографических и электронно-зондовых исследований установлено, что в зависимости от содержания диспрозия происходит стабилизация перовскитоподобной структуры двух типов: тетрагональной с ромбическим искажением при 0.20х0.25 и ромбической при 0.30х0.37 в широком температурном интервале (до 930оС). В промежуточной области концентраций диспрозия 0.25<х<0.30 образуется смесь ТР указанных структур. Стабилизация перовскитоподобной структуры может быть обусловлена появлением в структуре дополнительных ионов кислорода при гетеровалентном замещении Ba2+ на Dy3+ в соответствии с требованием сохранения электронейтральности системы. Методом гомологии выполнено индицирование рентгенограмм новых фаз и определены параметры их элементарных ячеек (гомолог La2/3TiO3+δ со структурой дефектного перовскита):

  a,   b,   c, V, 3 b/a

Ba1.75Dy0.25CuO3.125 4.041  4.062  8.121  133.3  1.0052

Ba1.70Dy0.30CuO3.15  4.002  4.100  8.193  134.4  1.0245

       В результате исследования низкотемпературной электропроводности Ba1.75Dy0.25CuO3.125 (273125 К), установлено, что полученные ТР принадлежат к классу полупроводниковых материалов, обладающих прыжковым механизмом проводимости при низких температурах. С понижением температуры от 273 до 125 К их сопротивление увеличивается в соответствии с законом R~exp(To/T)1/2. При комнатной температуре электропроводность тетрагонального ТР Ba2-хDyxCuO3+δ (х=0.25) на два порядка больше, чем ромбического (х=0.30) и равна 3.0310-1 и 3.0310-3 См/см соответственно.

Впервые получены аналогичные перовскитоподобные твердые растворы Ba2-xRxCuO3+δ с R=Ho, Er, Tm, Yb, Lu и Y и определены концентрационные границы их существования: 0.20≤x≤0.27 (тетрагональные с ромбическим искажением) и 0.35≤x≤0.40 (ромбические). Параметры элементарных ячеек этих ТР увеличиваются линейно с увеличением ионного радиуса R3+.

Стабилизированные ТР Ba2-xRxCuO3+δ (R=DyLu и Y) в отличие от Ba2CuO3, устойчивы на воздухе и не имеют фазовых переходов до температуры плавления. Полученные ТР могут служить прекурсорами при создании новых высокотемпературных сверхпроводников.

       На основании полученых результатов построена схема фазовой диаграммы системы YO1.5BaOCuO при 930оС (рис. 4).

 

       Известно, что купрат бария при взаимодействии с HgO образует ВТСП соединение HgBa2CuO4 (94 К). Поэтому представляло интерес изучить взаимодействие ТР Ba2-xYxCuO3+δ, с оксидом кадмия, находящегося в одной подгруппе с HgO.

Для определения предела растворимости кадмия в Ba2-xYxCuO3+δ, по керамической технологии синтезировали образцы, с составом исходной шихты YxBa2-xCuO3+δ : CdO=1:1 (0.20≤x≤0.37). Результаты электронно-зондового и рентгенофазового анализов показали образование ромбических перовскитоподобных ТР YxBa2-xCdyCu1-yO3+δ (0.20≤x≤0.37, y≤0.20), устойчивых до 930оС. Предел растворимости кадмия в изученных ТР уменьшается с увеличением содержания иттрия (x) и при х равном 0.20 и 0.33 соответственно составляет 0.20 и 0.15 атомных долей.

       Полученные твердые растворы являются полупроводниковыми керамическими материалами, проводимость которых в зависимости от состава изменяется в пределах 9.1×10-3÷4.7×10-5 См/см при комнатной температуре.

       Таким образом, впервые полученные устойчивые перовскитоподобные твердые растворы на основе купрата бария (RxBa2-xCuO3+δ (R=DyLu и Y) и YxBa2-xCdyCu1-yO3+δ) могут служить прекурсорами при синтезе новых перовскитоподобных фаз, в том числе и ВТСП.

В четвертой главе ”Твердофазные процессы в сложных оксидах титана, лантана, хрома и материалы на их основе” получены новые высокотемпературные соединения и изучены их структурные и электрические свойства.

       В системе TiO2Cr2O3La2O3 методом диффузионных слоев (в диффузионных парах LaCrO3/TiO2, La2Ti2O7/Cr2O3 и La4Ti9O24/Cr2O3) установлено образование ранее неизвестных тугоплавких ТР состава  Ti1-xCrxLayO3-δ (0<x≤0.27, 0.66≤y≤0.75, δ<1) и Ti5-xCrxLaO11-δ (1≤x≤1.5, δ<1), а также ТР на основе исходных компонентов.

       Рентгенограмма ромбического ТР Ti0.83Cr0.17La0.72O3.4 проиндицирована с помощью гомолога La2/3TiO3 и определены параметры элементарной ячейки (a=3.866, b=3.882, c=7.766 ). Частичное замещение ионов Ti4+ ионами Cr3+ в La2/3TiO3 и появление дополнительных ионов лантана ведет к стабилизации ромбической перовскитоподобной структуры этой фазы в широком температурном интервале (01300оС). Массоперенос в системе TiO2Cr2O3La2O3 осуществляется в результате взаимной диффузии ионов хрома, титана и лантана по вакансионному механизму, причем катионы хрома имеют наибольшее значение коэффициента взаимной диффузии.

       Для Ti0.83Cr0.17La0.72O3.4 зависимость Аррениуса в координатах lgρ–1/T линейна и имеет изгиб при 950оС, который обусловлен переходом из низко- (400–950оС) в высокотемпературную (950–1200оС) область с энергиями активации 0.15 и 0.41 эВ соответственно. Величина удельной электропроводности ТР Ti1-xCrxLayO3-δ (x=0.17, y=0.72) изменяется от 1.010-7 при комнатной температуре до 1.310-2 Cм/см при 1200оС. Полученные новые материалы принадлежат к классу полупроводников.

       С целью выявления существующих в этой системе новых фаз с помощью СВС впервые были получены литые композитные материалы.

       В процессе СВС при взаимодействии CrO3, La и Ti, в определенных соотношениях, имеющих максимальную теплоту горения, образуется ряд новых, в том числе метастабильных, фаз.

       В системе Cr2O3–La2O3 при СВС из смеси с соотношением CrO3:La=1:1, в зависимости от материала резервуара с защитным слоем или без него, получены следующие фазы: ромбические перовскитоподобные LaCrO3 и ТР LaCr1-х AlхO3 (х0.2), моноклинный ТР на основе La2SiO5 с содержанием ~2 мол.% Cr2O3 и ТР на основе Cr2O3 с содержанием ~1 мол.% La2O3.

       В системе TiO2–Cr2O3 при сжигании смеси с соотношением CrO3:Ti=4:3 в процессе СВС образуются ТР на основе Cr2Ti2O7 с концентрационными областями 2833.3 и 2540 мол.% Cr2O3 и на основе Cr2O3 с содержанием ~12 и ~20 мол.% TiO2 при 1300оС и предплавильных температурах соответственно. При использовании алундового сосуда в твердые растворы на основе Cr2Ti2O7 входит до 3 мол.% Al2O3, а на основе Cr2O3 – до 5 мол.% Al2O3, при этом содержание TiO2 в нем увеличивается до 28 мол.%.

       В тройной системе TiO2–Cr2O3–La2O3 при сжигании смеси с соотношением CrO3:La:Ti=6:2:3 в процессе СВС обнаружено образование двух видов новых ТР разного состава со структурой кубического перовскита: TixCrуLazO3-δ (0.25x0.45, 0.7≥y≥0.4, 0.8≥z≥0.7, δ<1,) (ТР П1) и TixCrуLaO11+δ (3.6≥х≥3.35, 1.8у2.3, δ<1) (ТР П2), а также твердых растворов на основе La2SiO5 (~10 мол.% Cr2O3) и Cr2O3 (413 мол.% TiO2 или 6 мол.% TiO2+8 мол.% Al2O3). При использовании алундового сосуда без защитного слоя, фазы TixCrуLazO3-δ (ТР П1) и TixCrуLaO11+δ (ТР П2) содержат до 3-х и 14-ти мол.% Al2O3 соответственно.

       Впервые построена схема фазовой диаграммы системы Cr2O3–La2O3–TiO2 при 1300оС по данным исследований образцов, полученных методами диффузионных слоев, керамическим и СВС (рис. 5).

Рис. 5. Схема фазовой диаграммы системы TiO2–Cr2O3–La2O3 при 1300оС, полученная по данным синтеза методами диффузионных слоев и спеканием (1-3) и СВС (4-6): 1 – Ti1-xCrxLayO3-δ (0x0.27, 0.66y0.75, δ<1, структура тетрагонального перовскита); 2 – Ti5-xCrxLaO11-δ (1x1.5, δ<1, низкосимметричная структура не идентифицирована); 3 – TP TiO2 (4.0 мол.% Cr2O3); 4 – TixCrуLazO3-δ (0.25x0.45, 0.7≥y≥0.4, 0.8≥z≥0.7, δ<1, структура кубического перовскита); 5 – TixCrуLaO11+δ (3.6≥х≥3.35, 1.8у2.3, δ<1, структура кубического перовскита); 6 – ТР Cr2O3 (12 мол.% TiO2); ТР Cr2Ti2O7 (27.833.3 мол.% Cr2O3).

       Физико-химическое исследование полученных полифазных материалов в системах Cr2O3–La2O3, Cr2O3–TiO2 и Cr2O3–La2O3–TiO2 показало, что они относятся к классу полупроводников с высокими значениями удельной электропроводности: в закаленных образцах σ~10-2 Cм/см при t=25oC, в отожженных образцах σ~10-510-1 Cм/см при 3001350оС, а их эффективные энергии активации не превышают ~0.35 Эв в низко- (300-1000оС) и ~0.69 Эв в высокотемпературных (1000-1350оС) областях.

       Полученные новые материалы могут быть использованы в электротехнической промышленности.

       В пятой главе “Фазовые переходы и механизм структурообразования в титанатах, цирконатах, гафнатах редкоземельных металлов, иттрия и скандия и их электрические свойства” изучены фазовые переходы и структурные перестройки в образцах, полученных из неравновесных механически активированных и соосажденных продуктов при 201600оС, исследованы их структурные и электрофизические характеристики, установлена природа наноструктурирования во флюоритоподобных структурах с высокой плотностью дефектов.

       Твердофазные процессы образования титанатов, цирконатов и гафнатов редкоземельных металлов из неравновесных продуктов соосаждения и механической активации при температурах ниже 1000оС практически не изучены, несмотря на то, что неравновесные фазы в последнее время находят широкое практическое применение, например, наноматериалы, носители катализаторов и др. Кроме того, эти материалы представляют интерес для использования в качестве твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ).

       Комплексное исследование соосажденых и механически активированных продуктов позволило установить природу образования низкотемпературных фаз.

       В результате соосаждения или механической активации смесей исходных оксидов, заданного состава (Sc4Ti3O12, Sc2(Sm2)TiO5, Sm2(Ho2)Ti2O7 и Gd2Zr(Hf)O5), образуются рентгеноаморфные продукты. В механически активированных продуктах наряду с основной фазой могут присутствовать в незначительном количестве непрореагировавшие исходные оксиды. При температурах ниже 1000оС из соосажденных и механически активированных продуктов образуются кубические метастабильные фазы. Эти фазы имеют дефектную структуру искаженного флюорита или пирохлора, в зависимости от исходного состава, которая с повышением температуры переходит в устойчивую флюоритоподобную структуру (например, в Gd2Zr(Hf)O5) или пирохлорподобную (например, в Sm2(Ho2)Ti2O7). В Sc4Ti3O12 переход в устойчивую флюоритоподобную фазу происходит через низкосимметричные фазы – ромбическую и гексагональную.

В Sc2(Sm2)TiO5 кубические метастабильные фазы со структурой дефектного флюорита переходят в ромбическую структуру выше 900оС. Причем при увеличении времени отжига переход метастабильной флюоритоподобной фазы в ромбическую происходит и при более низких температурах. Непрореагировавшие ранее исходные оксиды входят в структуру изученных фаз при температурах ~850900оС. В качестве примера в таблице 2 приведены фазовые превращения в системе TiO2Sc2O3.

       Изучение температурной зависимости параметров элементарных ячеек фаз, полученных из механически активированных смесей, показало, что полная релаксация внутренних напряжений, создаваемых механической активацией, происходит при ~1300оС. В Gd2Zr(Hf)TiO5 отмечен непрерывный фазовый переход типа порядок-беспорядок при 11001400оС.

       Из рентгенографических, ДТА, ТГ и масс-спектроскопических исследований следует, что образование метастабильных низкотемпературных кубических фаз обусловлено вхождением в их структуру гидроксидных групп, которые могут занимать вакантные позиции кислорода из-за близости их ионных радиусов.

       Удаление гидроксидных групп из структуры происходит с их разложением при 10001100оС (как, например, в механически активированных Sm2TiO5, Sm2Ti2O7 и соосажденных Gd2Zr(Hf)O5) или без при ~900оС (например, в Sc4Ti3O12).

Таблица 2. Фазовый состав образцов, полученных из смесей состава Sc2O3:TiO2=2:3 методами соосаждения (1) и механической активации (2), и параметры кристаллических решеток основных фаз, образующихся при различных режимах отжига.

toC

τ, ч

Фазовый состав*

Параметры решеток, A

а

с

а

с

1

2

1

2

1

2

150

20

0

F’+Fa’

Fa’+TiO2+Sc2O3

4.75

500

22

5

F’+TiO2(~4)

F’+TiO2+Sc2O3

700

7

16

F’+TiO2(~4)

F’+TiO2+Sc2O3

4.904

22

F’+R(<5)

800

14

7

F’+TiO2(~4)

F’+TiO2+Sc2O3

4.903

4.907

900

8

5

F’+TiO2(~4)

F’+R+TiO2(~8)

4.899

4.903

18

F’+R+TiO2(~8)

4.902

1000

9

6

H+TiO2(~4)

F’(~50)+R(~50)+

TiO2(~4)

9.901

17.078

1100

12

6

H

H

9.095

17.083

9.090

17.055

1200

16

6

F

F

4.8972

4.8946

1300

6

F

4.8961

1350

5

F

4.8981

ВЧ-плавление

F

4.9037

*F и F’-кубические структуры типа флюорита высоко- и низкотемпературных фаз состава Sc4Ti3O12 и Sc4Ti3-xO12-2x-n/2(OH)n, где x≤0.05, n≤0.15 – соосаждение, Sc4-уTi3-xO12-2x-1.5y-n/2(OH)n, где x, y, n≤1 - механическая активация; Fa’- рентгеноаморфная фаза; R-ромбическая структура типа псевдобрукита низкотемпературной фазы состава Sc4Ti3-xO12-2x-n/2(OH)n; H-гексагональная структура фазы Sc4Ti3O12 (в скобках дано содержание фазы в масс. %).

       Химические формулы для изученных соединений ниже 1000оС имеют вид: Sc4Ti3-xO12-2x-n/2(OH)n (x≤0.05, n≤0.15), Sc2TiO5-n/2(OH)n, Gd2Zr(Hf)O5-n/2(OН)n (n<1) – соосаждение; Sc4-уTi3-xO12-2x-1.5y-n/2(OH)n, Ho2-x(Sm2-x)Ti2-yO7-δ(OH)n и Sm2-xTi1-yO5-δ(OH)m (х<0.02, у<0.08, δ, n и m<0.19) механическая активация.

       Таким образом, установлены общие закономерности образования низкотемпературных флюоритоподобных фаз в титанатах, цирконатах и гафнатах РЗМ. Принципиального различия в фазообразовании из соосажденных и механически активированных смесей изученных составов не обнаружено. Образование при низкотемпературном (t<1000оС) синтезе метастабильных с искаженной флюоритоподобной структурой фаз переменного состава носит общий характер. Причиной образования низкотемпературных метастабильных фаз является присутствие в их структуре гидроксидных групп.

       Установлено, что при синтезе высокотемпературных оксидных соединений из неравновесных соосажденных и механически активированных исходных продуктов значительно снижается температура (700-900оС) и время (несколько часов) синтеза.

       Впервые обнаружено наноструктурирование во флюоритоподобных титанатах, цирконатах и гафнатах РЗМ при изучении особенностей их структуры (t>1300оC).

       В результате рентгенографических, СЭМ, ИК-спектроскопических исследований впервые установлено, что флюоритоподобный Sc4Ti3O12 принадлежит к классу наноструктурированных материалов. В моно- и поликристаллических образцах Sc4Ti3O12 обнаружены нанодомены (10÷50 нм), когерентно внедренные во флюоритоподобную матрицу (рис. 6, а).

Структура нанодоменов отличается от матрицы Sc4Ti3O12 различной степенью упорядочения. Образование нанодоменов с различной степенью упорядочения обусловлено наличием в структуре Sc4Ti3O12 высокой плотности структурных дефектов и внутренних напряжений. Из рентгенографических данных и импедансных спектров следует, что сопряжение кристаллических решеток нанодоменов и матрицы происходит через слои сопряжения, создаваемые дислокациями. Нанодомены в плавленых кристаллах могут объединяться в агломераты размером до 1000 нм под действием энергии поля упругих напряжений дислокаций и нанопор.

Во флюоритоподобных ТР R2-xTiO5+1.5xу (R=Y(Er), –кислородная вакансия, 0≤х≤1, 3≥у≥1.5) в концентрационной области их существования впервые обнаружено образование когерентно внедренных в матрицу микродоменов размером 0.31 мкм, структура которых имеет различную степень упорядочения (рис. 6, б, в). В пирохлорподобных фазах состава Y2(Er2)Ti2О7 микродомены не образуются. Об упорядочении структуры в микродоменах свидетельствуют слабые сверхструктурные рефлексы и расщепление основных линий на дифрактограммах.

   

 






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.