Электронный научный журнал
Международный студенческий научный вестник
ISSN 2409-529X

СРАВНЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕМЕНТА ЦИРКОНИЯ В МИКРО И НАНОСТРУКТУРАХ

Тан Цичэн 1 Ду Минян 1 Чжан Тяньюань 1
1 Национальный исследовательский Томский политехнический университет
Цирконий, благодаря высокой пластичности и стойкости к коррозии, часто использующийся в ядерном реакторе и в других областях. Исследовав свойств циркония, можно более широко использовать этот важный элемент. Для изучения циркония, мы исследовали его кристаллическую структуру (α-Zr — с гексагональной решёткой типа магния), поверхность Ферми и зону Бриллюэна. В статье приведены свойства циркония в микро- и нано структурах (в том числе диоксида циркония). Затем, в статье содержатся технологии получения циркония. Показана возможность синтеза нанопорошков частично стабилизированного диоксида циркония – ЧСДЦ (3 мол. % Y2O3) глицин-нитратным методом. Изучены основные закономерности и найдены оптимальные условия синтеза и механообработки нанопорошков. Изучение теоретических материалов о свойствах, технологии получения и применении нано-циркония позволит применить данный материал в научной работе и выпускной квалификационной работе.
прямая и обратная решетка
поверхность Ферми
классический размерный эффект
Нанопорошок
зона Бриллюэна
1, S. L. Altmann, C. J. Bradley. Fermi Surface of Zirconium / / Phys. Rev. - 1964 A1253
2.Химия циркония / У.Б. Блюменталь. – М., 1963.
3. Косогор С.П., Шулятникова О.А., РогожниковА.Г.,НеменатовИ.Г. Применение сплава циркония. [электронный ресурс]. –режим доступа: http://bone-surgery.ru. –25.11.13.
4. Безлина Е.В., Кулаков О.Б., Чиликин Л.В., Головин К.И. Цирконий и титан. // Дентальная имплантология. –2002. –С 26-28.
5. Методы получения наноразмерных материалов //Курс лекций. Екатеринбург,2007.
6. Tianmin He, Qiang He, Nan Wang. Synthesis of nano-sized YSZ powders from glycine-nitrate process and optimization of their properties // J. of Alloys and Compounds. –2005. –V. 396. –P. 309-315.

Цирконий — элемент побочной подгруппы четвёртой группы пятого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 40. Простое вещество цирконий— блестящий металл серебристо-серого цвета. Обладает высокой пластичностью, устойчив к коррозии.

Типа решетки

Существует в двух кристаллических модификациях:

1.прямая решетка

a1=5.146 Å

a2=3.230 Å

a3=3.230 Å

Рис1.часть прямой решетки циркония

2.обратная решетка

b1=0.195 Å ^-1

b2=0.357 Å ^-1

b3=0.180 Å ^-1


Рис2. часть обратной решетки циркония

 

Поверхность Ферми

Поверхность Ферми имеет сложную геометрическую форму.

Рис3.поверхности Ферми альфа-циркония[1] в части обратной решетки

зона Бриллюэна поверхности Ферми альфа-Циркония

ФЕРМИ-ПОВЕРХНОСТЬ - изоэнергетич. поверхность в пространстве квазиимпульсов (p-пространстве)

Открытая ферми-поверхность при любом выборе элементарной ячейки в р-пространстве (обратной решетке) пересекает границы ячейки. Ясно, что в этом случае всегда возможны процессы переброса с испусканием или поглощением фонона со сколь угодно малой энергией уже малое изменение квазиимпульса электрона вблизи границы ячейки может перебросить его в соседнюю ячейку. В течении своей диффузии по ферми-поверхности все электроны в конце концов достигают границ ячейки и, таким образом, могут участвовать в процессах переброса. Следовательно, и в этом случае вероятность процессов переброса не обладает какой-либо дополнительной (по сравнению с нормальными процессами) малостью.

Топологические свойства очень сильно влияют.

Сравнительные свойства циркония в микроструктуре и нано структуре[2]

Таблица 1

Параметры

Микроструктура (Zr)

Микроструктура (ZrO2)

Наноструктура (ZrO2)

(20 нм)

Температура плавления, °С

1852

2715

2397

Температура кипения, °С

4377

4300

4275

Плотность, г/см3

6.505

5.85

5.4

Цвет

Серебристо-белый

Серебристо-белый

Серебристо-белый

Молекулярный вес

91.224

123.22

123.22

Электропроводимость, См·м-1

43

10.1

2.43

 

После исследования элемента циркония в микроструктуре и нано структуре и сравнения свойств, выяснились, что нано структура имеет особенные свойства по сравнению с микроструктурой, например, электропроводимость диоксида циркония резко уменьшается, и его температура плавления намного повышается. Эти свойства обусловливают широкое применение циркония в промышленности.

Наноматериалы из циркония

О чистом нано цирконии информации нет, мы изучили диоксид циркония.

Свойства диоксида циркония [2]:

ZrO2 (диоксид циркония), бесцветные кристаллы, tпл= 2715 °C. Оксид циркония –один из наиболее тугоплавких оксидов металлов. Диоксид циркония проявляет амфотерные свойства, нерастворим в воде и водных растворах большинства кислот и щёлочей, однако растворяется в плавиковой и концентрированной серной кислотах, расплавах щелочей. Сравнительные свойства циркония в микроструктуре и наноструктуре показаны в табл. 1.

Физические причины изменения свойства в наноматериале [3, 4]

Из сравнения свойств циркония в микроструктуре и нано структуре, можно сказать, что некоторые свойства циркония изменились. Физические причины специфики заключаются в следующем:

1. Цирконий в нано материале обладает склонностью к самоорганизации кластерных структур;

2. Большая доля атомов находится на выступах и уступах поверхности. Поэтому свободная поверхность является стоком бесконечной емкости для точечных и линейных кристаллических дефектов;

3. Поверхностные эффекты механических свойств;

4. Тонкие физические эффекты взаимодействия электронов со свободной поверхностью.

Способ получения нанопорошка диоксида циркония

Показана возможность синтеза нанопорошков частично стабилизированного диоксида циркония– ЧСДЦ (3 мол. % Y2O3) глицин-нитратным методом. Изучены основные закономерности и найдены оптимальные условия синтеза и механообработки нанопорошков.

Установлена возможность получения высокопрочной керамики методом полусухого прессования из нанопорошков ЧСДЦ, синтезированных глицин-нитратным методом.

В настоящее время для получения механически прочной керамики используют в основном порошки ЧСДЦ (3 мол. % Y2O3).

Среди химических методов, позволяющих синтезировать нанодисперсные порошки ЧСДЦ, наиболее эффективными являются золь-гель технология, гидротермальный метод, метод соосаждения [5]. Одним из относительно простых методов синтеза нанопорошков сложного состава является глицин-нитратный метод [6], основанный на сжигании нитрат-органических прекурсоров. Роль органического «топлива» в этом методе выполняет глицин (аминоуксусная кислота), который выступает также в роли бидентантного лиганда, с которым большинство двух- и трехвалентных d-металлов способны образовывать устойчивые комплексы, что способствует синтезу сложных оксидов металлов в едином температурном интервале. Из-за малых размеров частиц оксидов время совместной диффузии резко сокращается. Этому способствует высокая температура в зоне реакции. Сведения о возможности синтеза этим методом нанопорошков ЧСДЦ для получения механически прочной керамики в литературе отсутствуют.

Применение

Наноразмерный оксид циркония устойчивый к действию кислот и щелочей, коррозионностойкий, устойчив к воздействию высоких температур. Может быть использован в технической керамике, конструкционной керамике, в производстве искусственных драгоценных камней. Свойства нано оксида циркония существенно отличается от микро оксида циркония.

Функциональная керамика, неорганические пигменты, высокочистые пигменты, фарфор, глазури.
Пирооптические элементы, в конденсаторах большой емкости, оптических носителях, в элементах воспроизводящих изображения, в оптических затворах, в стеклах для стереотелевидения, в запоминающих устройствах.
В абразивных материалах, изоляторах, в огнезащитных материалах, в рентгеновской технике.
В высоко температурных и коррозионно -устойчивых компонентах, в соплах, в тиглях.
В пьезоэлектрических элементах, в ионном обмене, фильтрах, в передающих элементах, в нагревающих элементах.
В искусственных ювелирных украшениях. Добавки в топливо, в аккумуляторы.


Библиографическая ссылка

Тан Цичэн, Ду Минян, Чжан Тяньюань СРАВНЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕМЕНТА ЦИРКОНИЯ В МИКРО И НАНОСТРУКТУРАХ // Международный студенческий научный вестник. – 2017. – № 3.;
URL: http://eduherald.ru/ru/article/view?id=17282 (дата обращения: 26.10.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074