Ученые Сибирского федерального университета вместе с коллегами из Казахстана изучили, как мощное облучение ионами криптона влияет на структуру и свойства керамики из диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия — материала, который сегодня широко применяют в ядерных реакторах, газотурбинных двигателях и космической технике. Как оказалось, управляемым ионным воздействием можно не только моделировать радиационные повреждения, но и «обучать» материал выносливости.
Как отмечают в СФУ, керамика из диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, отличается прочностью, жаростойкостью и устойчивостью к агрессивным средам. Но под действием радиации ее структура со временем меняется. Чтобы понять, что происходит на атомном уровне, исследователи подвергли образцы материала облучению тяжелыми ионами с разной интенсивностью, моделируя условия, близкие к тем, которые складываются внутри реакторов.
Оказалось, что под воздействием ионов в кристаллической решетке материала образуются микродефекты — так называемые вакансии и смещения атомов. Но при умеренном уровне облучения они придают материалу дополнительную прочность: твердость отдельных участков микроструктуры материала возрастает почти вдвое.
Напротив, при слишком больших дозах керамическая структура начинает разрушаться — теряет прочность и приобретает признаки аморфного состояния. Однако при этом меняется ее внутренняя архитектура, что позволяет ей лучше выдерживать радиационные нагрузки.
Мы увидели, как одновременно с изменениями прочности наблюдались фазовые превращения. Первоначально материал содержал в основном моноклинную фазу ZrO₂, которая менее устойчива к радиационным воздействиям. Но она постепенно превращалась в тетрагональную и кубическую фазы — более симметричные и устойчивые формы оксида циркония. Получается, что при максимальном облучении появлялись признаки частичной аморфизации — потери дальнего порядка в кристаллической решетке. Это означает, что ионное облучение не только разрушало, но и буквально «перестраивало» материал, способствуя формированию более стабильных структур.
По словам ученых, результаты работы помогают понять, как можно создавать материалы, способные выдерживать экстремальные условия, например, оболочки тепловыделяющих элементов в реакторах нового поколения, защитные покрытия для двигателей или элементы космических аппаратов. Ключом к получению этих материалов может стать управляемое формирование дефектов и фазовых переходов в диоксиде циркония.
Ранее Наука Mail рассказывала, что томские ученые нашли более простой метод синтеза новой керамики.
