ФАЗОВАЯ СТАБИЛЬНОСТЬ ВЫСОКОЭНТРОПИЙНОГО ОКСИДА ЦИРКОНИЯ ПРИ СПЕКАНИИ

Леонтьев Л.Д., Колесников Т.Н., Бастриков Р.М., Карташов В.В.

Уральский федеральный университет

620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, д. 19

Высокоэнтропийные керамические материалы на основе диоксида циркония способны демонстрировать уникальный комплекс физико-химических свойств при условии целенаправленного многокомпонентного легирования. Ключом к достижению высоких характеристик (∆S_conf ≥ 1,6 R) является одновременное введение в кристаллическую матрицу ZrO₂ трёх типов добавок: оксидов редкоземельных элементов (Y, Ce, Sc, Gd, Yb), изовалентного заместителя Hf⁴⁺, а также разнозарядных ионов Ti⁴⁺, Nb⁵⁺ и Al³⁺. Подобный подход обеспечивает повышение конфигурационной энтропии, однако реализация потенциала системы возможна лишь при формировании гомогенного однофазного твёрдого раствора. Целью исследования являлось установление взаимосвязи между методикой синтеза порошка, концентрацией легирующих элементов и достижение однофазной структуры керамики при высокотемпературном спекании.

В работе проведён сравнительный анализ двух технологий получения порошков: классического твердофазного синтеза с прокаливанием при 1200 °С и растворного нитрат-органического метода с самораспространяющимся горением. Фазовый состав анализировали методом рентгеновской дифракции (РФА), удельную поверхность – методом БЭТ, микроструктуру керамики (1650 °С, воздух) изучали методами РФА и сканирующей электронной микроскопии (СЭМ).

Рентгенофазовый анализ подтвердил формирование однофазного кубического твёрдого раствора флюоритного типа при обоих способах синтеза. Однако физико-химические характеристики порошков существенно различались. Удельная поверхность образца, полученного методом нитрат-органического горения, составила 8 м²/г, тогда как для порошка после твердофазного синтеза этот показатель достиг 15 м²/г. Более высокая удельная поверхность при твердофазном методе обусловлена интенсивным механическим помолом, разрушающим агломераты и увеличивающим дефектность частиц порошка. В то же время, несмотря на наноструктурированность первичных частиц при растворном синтезе, быстрое выделение газов в ходе экзотермической реакции способствует их сильной агломерации.

Оба метода продемонстрировали эффективность для получения порошков высокоэнтропийного оксида циркония, однако высокотемпературная обработка выявила склонность структуры к распаду. Для подавления образования примесных фаз высокоэнтропийной структуры рекомендуется дополнительная модификация состава катионами со степенью окисления +2 (в частности, Ca²⁺ и Mg²⁺).

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ (тема № FEUZ-2026-0009).