The Dynamics of Crystal Lattice of Solid Solutions Based on Zirconium Dioxide

Abstract

The paper studies structure and dynamics of the crystal lattice of solid solutions based on zirconium dioxide. Structural experiments were performed on a KSN-2 neutron spectrometer (in the ‟diffractrometer” mode) and DRON-3.0 X-ray diffractrometer. The phonon spectrum of solid solutions was obtained using the method of inelastic scattering of thermal neutrons. Dispersion ratios were obtained with KSN-2 (in a ‟triple-axes-spectrometer” mode) on monocrystal samples. It is known that the introduction of such ions as Ca, Y, Nd, Sc into the ZrO$_{2}$ crystal lattice stabilizes the cubic structure of the lattice. Particular attention was paid to the ZrO$_{2}$ system - 33% mol. Y$_{2}$O$_{3}$. In this system, the possibility of formation of a pyrochlor structure was considered. It has been suggested that a phase transition occurs in ZrO$_{2}$-based solid solutions under the influence of neutron irradiation and temperature, which can lead to disruption of coatings made of these materials.

Тверді розчини на базі діоксиду цирконію широко використовують у техніці внаслідок їхніх унікальних властивостей. Діоксид цирконію має моноклінну структуру, але під впливом тиску, температури та радіаційного навантаження може трансформуватися в тетрагональну форму. Цей перехід супроводжується зменшенням питомого об'єму майже на 10-15%. Особливу увагу привертає цей факт під час розгляду формування тонкої плівки діоксиду цирконію на поверхні оболонки твелів у процесі експлуатації тепловидільних касет у ядерному реакторі. Фазовий перехід у плівці діоксиду цирконію може призвести до пошкоджень оболонки твелів та витоку радіоактивних ізотопів у теплоносій першого контуру реактора. Такий витік може спричинити зупинку експлуатації ядерного блоку. Водночас відомо, що введення рідкоземельних оксидів у тверді розчини на базі діоксиду цирконію стабілізує кубічну структуру цих систем, яка не змінюється під час опромінення. У роботі досліджено структури та динаміки кристалічної ґратки твердих розчинів на базі діоксиду цирконію. Структурні експерименти проведено на нейтронному спектрометрі КSN-2 в режимах ‟дифрактометр” та ‟тривісний спектрометр”, а також рентґенівському дифрактометрі ДРОН-$3.0$ (лінія Fe$K α$ $λ=0.194$ нм). Фононні спектри твердих розчинів отримано методом непружного розсіювання теплових нейтронів. Дисперсійні співвідношення одержано на монокристалічних зразках. Відомо, що введення в кристалічну ґратку ZrO$_{2}$ таких йонів, як Ca, Y, Nd, Sc, стабілізує кубічну структуру ґратки. Особливу увагу приділено системі ZrO$_{2}$ – 33% моль Y$_{2}$O$_{3}$. У ній розглянуто можливість виникнення структури типу пірохлору. Під час експериментів установлено, що зміни в спектрі коливань кристалічної ґратки твердих розчинів на базі діоксиду цирконію з різними йонами-стабілізаторами мають універсальний характер. Отримані результати, порівняно з іншими дослідженнями цих систем, дозволяють припустити, що зі зростанням концентрації йонів-стабілізаторів зростає й питома теплоємність твердих розчинів