Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. Основан в 2009 году

Синтез и физико-механические характеристики функциональной керамики системы Er2O3/ScSZ

И.А. Сурков1, Л.А. Пасечник2, О.И. Гырдасова2

1 ФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина»
2 ФГБУН «Институт химии твердого тела Уральского отделения РАН»

DOI: 10.26456/pcascnn/2026.18.XXX

Оригинальная статья

Аннотация: Твердые растворы системы Er2O3/ScSZ синтезированы золь-гель методом с использованием этиленгликоля в качестве органического компонента, что обеспечивает высокую гомогенность распределения допантов в матрице ZrO2. Термолиз промежуточного золя на воздухе при 700°C приводит к формированию составов Zr0,8Sc0,2-xErxO2 (x = 0-0,04) на основе тетрагональной фазы t–ZrO2. При температуре 1500 °C получены керамические образцы с относительной плотностью 96-98%. По данным рентгенофазового анализа в интервале x = 0-0,01 спеченная керамика представляет собой смесь кубической (c–ZrO2) и ромбоэдрической (r–ZrO2) фаз, а при x = 0,02-0,04 формируется однофазная кубическая структура. Сканирующая электронная микроскопия показывает хорошо спеченную микроструктуру с плотным прилеганием зерен друг к другу, поры являются закрытыми и имеют субмикронные размеры. Микротвердость варьируется на уровне 12,3-15,6 ГПа, что соответствует показателям традиционной технической керамики на основе ZrO2. Содопирование эрбием почти в два раза увеличивает предел прочности на изгиб с 81,2 МПа (нелегированный ScSZ) до 150,2 МПа для состава Zr0,8Sc0,19Er0,01O2. Полученное значение превышает типичную прочность нестабилизированной керамики ZrO2 и свидетельствует о выраженном упрочняющем действии эрбия. Данный эффект, обусловлен трансформационным механизмом упрочнения, а также снижением пористости и оптимизацией микроструктуры благодаря золь-гель синтезу. Для обеспечения стабильности термомеханических и термоэлектрических характеристик в условиях длительной и циклической эксплуатации предпочтителен уровень содопирования 2-3 мол.% Er (x = 0,02-0,03), при котором керамика имеет однофазную структуру c–ZrO2, исключающую нежелательные фазовые переходы в рабочем диапазоне температур. При таком легировании достигается наилучшее сочетание прочности (~154 МПа) и микротвердости (~14,5-15,0 ГПа), что снижает риск деградации свойств. Таким образом, разработанные материалы Er2O3/ScSZ являются перспективными материалами для твердооксидных топливных элементов, обеспечивая высокую плотность, механическую прочность и фазовую стабильность.

Ключевые слова: скандий стабилизированный оксид циркония, содопирование, оксид эрбия, золь-гель синтез, микротвердость, прочность на изгиб

  • Сурков Илья Александрович – магистрант 1 курса, Институт новых материалов и технологий, ФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина»
  • Пасечник Лилия Александровна – к.х.н., ведущий научный сотрудник лаборатории химии гетерогенных процессов, ФГБУН «Институт химии твердого тела Уральского отделения РАН»
  • Гырдасова Ольга Ивановна – к.х.н., ведущий научный сотрудник лаборатории неорганического синтеза, ФГБУН «Институт химии твердого тела Уральского отделения РАН»

Ссылка для цитирования:

Сурков, И.А. Синтез и физико-механические характеристики функциональной керамики системы Er2O3/ScSZ / И.А. Сурков, Л.А. Пасечник, О.И. Гырдасова // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2026. - Вып. 18. - С. __-__. DOI: 10.26456/pcascnn/2026.18.XXX. ⎘

Полный текст: загрузить PDF файл

Библиографический список:

1. Wang, F. The electrolyte materials for SOFCs of low-intermediate temperature / F. Wang, Y. Lyu, D. Chu et al. // Materials Science and Technology. – 2019. – V. 35. – I. 13. – P. 1551-1562. DOI: 10.1080/02670836.2019.1639008.
2. Hossain, S. A review on proton conducting electrolytes for clean energy and intermediate temperature-solid oxide fuel cells / S. Hossain, A.M. Abdalla, S.N.B. Jamain, J.H. Zaini, A.K. Azad // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2017. – V. 79. – P. 750-764. DOI: 10.1016/j.rser.2017.05.147.
3. Perovskite materials: synthesis, characterisation, properties, and applications / ed. by L. Pan, G. Zhu // InTechOpen. – 2016. – 650 p. DOI: 10.5772/60469.
4. Medvedev, D. Proton-conducting electrolytes for solid oxide fuel cell applications / D. Medvedev, A. Brouzgou, A. Demin, P. Tsiakaras // In book: Advanced medium and high temperature solid oxide fuel cell technology. CISM International Centre for Mechanical Sciences; ed. by M. Boaro, A.A. Salvatore. – Cham: Springer, 2017. – V. 574. – P. 77-118. DOI: 10.1007/978-3-319-46146-5_3.
5. Mahato, N. Progress in material selection for solid oxide fuel cell technology: a review / N. Mahato, A. Banerjee, A. Gupta, S. Omar, K. Balani // Progress in Materials Science. – 2015. – V. 72. – P. 141-337. DOI: 10.1016/j.pmatsci.2015.01.001.
6. Medvedev, D.A. Advanced materials for SOFC application: strategies for the development of highly conductive and stable solid oxide proton electrolytes / D.A. Medvedev, J.G. Lyagaeva, E.V. Gorbova et al. // Progress in Materials Science. – 2016. – V. 75. – P. 38-79. DOI: 10.1016/j.pmatsci.2015.08.001.
7. Mahato, N. Doped zirconia and ceria-based electrolytes for solid oxide fuel cells: A review / N. Mahato, A. Gupta, K. Balani // Nanomaterials and Energy. – 2012. – V. 1. – I. 1. – P. 27-45. DOI: 10.1680/NME.11.00004.
8. Shao, Z. Application of SOFC Technology / Z. Shao, M.O. Tadé // In book: Intermediate-temperature solid oxide fuel cells. Materials and Applications; ed. by Z. Shao, M.O. Tadé. – Berlin, Heidelberg: Springer, 2016. – P. 247-266. DOI: 10.1007/978-3-662-52936-2.
9. Arachi, Y. Electrical conductivity of ZrO2 –Sc2O3 doped with HfO2, CeO2, and Ga2O3 / Y. Arachi, T. Asai, O. Yamamoto et al. // Journal of the Electrochemical Society. – 2001. – V. 148. – I. 5. – P. A520-A524. DOI: 10.1149/1.1362546.
10. Brodnikovskyi, Y. Properties of 10Sc1CeSZ-3.5 YSZ (33-, 40-, 50-wt.%) composite ceramics for SOFC application / Y. Brodnikovskyi, N. McDonald, I. Polishko et al. // Materials Today: Proceedings. – 2019. – V. 6. – I. 2. – P. 26-35. DOI: 10.1016/j.matpr.2018.10.071.
11. Agarkov, D.A. Phase compositions, structures and properties of scandia-stabilized zirconia solid solution crystals co-doped with yttria or ytterbia and grown by directional melt crystallization / D.A. Agarkov, M.A. Borik, S.I. Bredikhin et al. // Solid State Ionics. – 2020. – V. 346. – Art. № 115218. – 7 р. DOI: 10.1016/j.ssi.2019.115218.
12. Pasechnik, L.A. Assessment of electrical conductivity and thermal expansion in scandium-zirconium ceramic directly derived from red mud / L.A. Pasechnik, D.I. Pereverzev, I.V. Shamsutov et al. // Inorganic Chemistry Communications. – 2025. – V. 176. – Art. №. 114227. – 8 p. DOI: 10.1016/j.inoche.2025.114227.
13. Wei, X. Effect of doping CeO2 and Sc2O3 on structure, thermal properties and sintering resistance of YSZ / X. Wei, G. Hou, Y. An et al. // Ceramics International. – 2021. – V. 47. – I. 5. – P. 6875-6883. DOI: 10.1016/j.ceramint.2020.11.032.
14. Gyrdasova, O.I. Impact of formate precursor thermolysis route on the structure and photocatalytic activity of Zr0.95Sc0.05O2–δ / O.I. Gyrdasova, E.V. Vladimirova, A.V. Dmitriev et al. // Inorganic Chemistry Communications. – 2026. – V. 184. – Art. №. 116007. – 11 p. DOI: 10.1016/j.inoche.2025.116007.
15. Гырдасова, О.И. Формирование твердых растворов и композитов в системе ZnO-ZrO2 / О.И. Гырдасова, Л.А. Пасечник // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2025. – Вып. 17. – С. 627-635. DOI: 10.26456/pcascnn/2025.17.627.
16. Zu, J.H. Preparation and high-temperature performance of Sc2O3 –Y2O3 co-stabilized ZrO2 thermal barrier coatings / J.H. Zu, Y. Gao, D. Liu et al. // Ceramics International. – 2024. – V. 50. – I. 11. – P. 20460-20472. DOI: 10.1016/j.ceramint.2024.03.169.
17. Fan, W. Improved properties of scandia and yttria co-doped zirconia as a potential thermal barrier material for high temperature applications / W. Fan, Z.Z. Wang, Y. Bai et al. // Journal of the European Ceramic Society. – 2018. – V. 38. – I. 13. – P. 4502-4511. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2018.06.002.
18. Pasechnik, L.A. Scandium modified zirconia extracted from red mud as a waste of alumina production / L.A. Pasechnik, I.S. Medyankina, D.I. Pereverzev, A.Y. Chufarov, A.Y. Suntsov // Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics. – 2024. – V. 15. – I. 6. – P. 768-773. DOI: 10.17586/2220-8054-2024-15-6-768-773.
19. Eichler, J. Effect of grain size on mechanical properties of submicrometer 3Y-TZP: Fracture strength and hydrothermal degradation / J. Eichler, J. Rödel, U. Eisele, M. Hoffman // Journal of the American Ceramic Society. – 2007. – V. 90. – I. 9. – P. 2830-2836. DOI: 10.1111/j.1551-2916.2007.01643.x.
20. Komolikov, Y.I. Stability of ceramics based on ZrO2 Doped with Y2O3 under hydrothermal action / Y.I. Komolikov, I.D. Kashcheev, V.R. Khrustov, V. I. Pudov // Refractories and Industrial Ceramics. – 2020. – V. 61. – I. 4. – P. 424-427. DOI: 10.1007/s11148-020-00497-x.
21. Chien, F.R. Stress-induced martensitic transformation and ferroelastic deformation adjacent microhardness indents in tetragonal zirconia single crystals / F.R. Chien, F.J. Ubic, V. Prakash // Acta Materialia. – 1998. – V. 46. – I. 6. – P. 2151-2171. DOI: 10.1016/s1359-6454(97)00444-8.
22. Borik, M.A. Effect of the valence state of Ce ions on the phase stability and mechanical properties of the crystals of ZrO2-based solid solutions / M.A. Borik, V.T. Bublik, R.M. Eremina et al. // Physics of the Solid State. – 2017. – V. 59. – I. 10. – P. 1934-1939. DOI: 10.1134/S1063783417100079.

Содержание |