Российские ученые повысили прочность керамики для космической техники

Специалисты Сибирского федерального университета (СФУ) и Красноярского научного центра СО РАН в сотрудничестве с международными коллегами провели углубленное исследование, чтобы понять, как как мощное облучение ионами криптона влияет на структуру и свойства керамики из диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия. Этот материал широко применяется в областях, где особенно важна прочность и устойчивость: в ядерных реакторах, газотурбинных двигателях и космической технике.

Керамика из диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, отличается прочностью, устойчивостью к высоким температурам и агрессивной среде. Под действием радиации структура материала со временем меняется. Чтобы заглянуть вглубь, на атомный уровень, ученые подвергли образцы керамики мощному облучению тяжелыми ионами с разной интенсивностью, смоделировав условия, приближенные к реальной работе внутри реактора. Плотность потока ионов варьировалась в диапазоне от 10¹¹ до 10¹⁴ ион/см², что позволило проследить эволюцию материала от слабого радиационного воздействия до экстремальных доз. Этот подход показал, что управляемое ионное воздействие можно использовать не только для моделирования повреждений, но и как уникальный инструмент для повышения «выносливости» материала.

Выяснилось, что в результате облучения в кристаллической решетке материала возникают микродефекты — так называемые вакансии (пустые узлы решетки) и смещенные атомы. Однако при умеренных дозах эти дефекты не ослабляли материал, а, напротив, придавали ему прочность. Параметр микротвердости, характеризующий твердость отдельных участков микроструктуры материала, возрастал почти в два раза. Однако при слишком больших дозах структура начинала разрушаться, атомы теряли упорядоченность, в результате чего снижалась прочность и керамика приобретала аморфное, «стеклообразное» состояние.

Одновременно с этим в материале происходила внутренняя перестройка. Первоначально преобладавшая моноклинная фаза диоксида циркония, менее устойчивая к радиации, постепенно превращалась в более симметричные и устойчивые формы оксида циркония (тетрагональную и кубическую), которые лучше выдерживают воздействие излучения.

«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», — пояснил заведующий кафедрой ЮНЕСКО «Новые материалы и технологии», доцент кафедры физики твердого тела и нанотехнологий СФУ Игорь Карпов.

Результаты исследования открывают путь к созданию материалов следующего поколения, способных выдерживать экстремальные нагрузки. Создание таких материалов возможно благодаря управляемому формированию дефектов и фазовых переходов в диоксиде циркония. В перспективе это позволит инженерам создавать функциональные керамические материалы, которые смогут обеспечить эффективную работу там, где другие материалы быстро выходят из строя — в ядерных реакторах, космосе и высокоэнергетических установках будущего.

Ранее ученые из Новосибирска представили новые материалы для космической техники, которые отличаются износостойкостью, прочностью и устойчивостью к коррозии. В их основе – металлические стекла.

Фото Минобразования РФ