Специалисты из Сибирского федерального университета (СФУ) и Красноярского научного центра Сибирского отделения Российской академии наук совместно с зарубежными коллегами 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.
Керамика из диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, известна своей прочностью, жаростойкостью и устойчивостью к агрессивным средам. Но под действием радиации её структура со временем меняется. Чтобы понять, что происходит на атомном уровне, авторы исследования подвергли образцы материала облучению тяжёлыми ионами с разной интенсивностью, моделируя условия, близкие к тем, в которых работает керамика внутри реакторов.
В ходе эксперимента образцы облучали ионами с различной плотностью потока — от 10^11 до 10^14 ион/см², что соответствует возрастанию дозы радиации от слабой до экстремальной. При этом выяснилось, что управляемым ионным воздействием можно не только моделировать радиационные повреждения, но и использовать его как инструмент «обучения» материала выносливости.
Оказалось, что под воздействием ионов в кристаллической решётке образуются микродефекты — так называемые вакансии и смещения атомов. При умеренном уровне облучения они даже придают материалу дополнительную прочность: такой параметр как микротвёрдость (твёрдость отдельных участков микроструктуры материала) возрастает почти вдвое. Однако при слишком больших дозах структура начинает разрушаться, а упорядоченность атомов нарушается — керамика частично теряет прочность и приобретает признаки аморфного состояния. Однако в это же время меняется её внутренняя архитектура: первоначально преобладавшая моноклинная фаза диоксида циркония постепенно превращается в более симметричные и устойчивые тетрагональную и кубическую формы, которые лучше выдерживают 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 решётке. Это означает, что ионное облучение не только разрушало, но и буквально «перестраивало» материал, способствуя формированию более стабильных структур», — рассказал один из авторов исследования, заведующий кафедрой ЮНЕСКО «Новые материалы и технологии», доцент кафедры физики твёрдого тела и нанотехнологий СФУ Игорь Карпов.
По словам учёных, результаты работы помогают понять, как можно создавать материалы, способные выдерживать экстремальные условия. Ключом к получению этих материалов может стать управляемое формирование дефектов и фазовых переходов в диоксиде циркония. В перспективе это поможет создать новое поколения функциональных керамических материалов, способных эффективно работать там, где другие теряют прочность — в ядерных реакторах, космосе и высокоэнергетических установках будущего.
Источник: habr.com