КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 18-13-00025

НазваниеФизико-химические основы разработки высокотемпературных материалов на базе танталатов и гафнатов

РуководительГавричев Константин Сергеевич, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук, г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 2018 г. - 2020 г.  , продлен на 2021 - 2022. Карточка проекта продления (ссылка)

Конкурс№28 - Конкурс 2018 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-601 - Химия новых неорганических функциональных и наноразмерных материалов

Ключевые словавысокотемпературные материалы, редкоземельные элементы, танталаты, гафнаты, структура, термические свойства, термодинамика

Код ГРНТИ31.17.15


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Настоящий проект посвящен созданию научных основ направленного синтеза простых и сложных РЗЭ оксидов гафния и тантала с заданной морфологией, термическими, электрическими и теплофизическими свойствами. В проект включены работы по оптимизации методов синтеза танталатов РЗЭ и поиску новых соединений в системах Ln2O3-MxOy-Ta2O5, где Ln - La, Nd, Gd и Y или их комбинация; М – Ca, Cr, Fe, с особым вниманием к соединениям со структурой типа пирохлора Ln2(МII2/3Ta4/3)O7, Ln2(МIIITa)O7. Предполагается разработка новых оригинальных методик синтеза сложных оксидов тантала в высокодисперсном состоянии и определение влияния условий их получения на морфологию, термические и теплофизические свойства. В системах Ln2O3-HfO2 (Ln = Nd, Eu, Gd) впервые будут исследованы структура, микроструктура, транспортные, термомеханические свойства и теплопроводность нестехиометрических твердых растворов Ln2±xHf2±xO7±x/2 (Ln = Nd, Eu, Gd) со структурой пирохлора. Кристаллическая структура новых соединений и твердых растворов будет исследована методами РСА с уточнением по Ритвельду, рентгеновской дифракцией на синхротронном и нейтронном излучении, КР-спектроскопией. Особое внимание в проекте будет уделено определению достоверных термодинамических характеристик соединений, полученных в гафнатных и танталатных системах, которые предполагается использовать для моделирования высокотемпературных процессов направленного синтеза материалов и внесения в базы термодинамических данных. Научная новизна проекта заключается в разработке новых синтетических подходов, а также комплексном исследовании физико-химических, термических и термодинамических свойств, в том числе, впервые синтезированных и малоизученных сложных оксидов на основе гафнатов и танталатов РЗЭ.

Ожидаемые результаты
Будет выполнен направленный поиск путей получения новых сложных танталатов в многокомпонентных системах Ln2O3-MxOy-Ta2O5, где Ln= La, Nd, Gd и Y или их комбинация; M=Ca, Cr, Fe. Будут изучены механизмы изоморфного замещения катионов в сложных оксидах, установлены границы взаимной растворимости компонентов. Кристаллохимическое исследование полученных соединений с использованием методов рентгеновской дифракции и электронной микроскопии, а также изучение свойств новых соединений в широком диапазоне температур позволит выявить фундаментальные зависимости между составом, структурой соединений и их физико-химическими, термическими, теплофизическими свойствами. Будут разработаны методики получения танталатов и гафнатов РЗЭ, в том числе с помощью низкотемпературных методов, и установлены закономерности влияния условий синтеза на морфологию и физические свойства. Калориметрическими методами будут изучены термические свойства соединений и определены их термодинамические характеристики (энтропия, инкремент энтальпии, приведенная энергия Гиббса) на основе измерений изобарной теплоемкости в широком интервале температур. Полученные данные явятся основой для термодинамического моделирования фазовых равновесий, а также технологических процессов получения новых материалов на основе этих соединений. В твердых растворах на основе гафнатов Ln2Hf2O7 (Ln=Nd, Eu, Gd) с различным типом гетеровалентного замещения (Ln2-xHfx)Hf2O7+x/2 и Ln2(Hf2-xLnx)O7-x/2) будут установлены корреляционные зависимости изменения электрических, теплопроводящих и теплофизических свойств от степени замещения. Полученные результаты планируется опубликовать в виде не менее, чем 10 статей в научных журналах, индексируемых в реферативных базах данных Web of Science, Scopus и РИНЦ (таких , как Journal of Alloys and Compounds, Thermochimica Acta, Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, Journal of Solid State Chemistry, Solid State Ionics, Неорганические материалы, Журнал неорганической химии и др.).


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2018 году
На основании оценки достоинств и недостатков различных методов получения ортотанталатов и гафнатов РЗЭ (твердофазного, обратного осаждения, гидротермального, сжигания) показано преимущество метода обратного осаждения для получения высокочистых веществ с хорошо воспроизводимыми свойствами. Для идентификации, анализа, изучения термических и термодинамических свойств были использованы различные методы. Дифракционные исследования фазового состава и кристаллической структуры соединений и твердых растворов проводили на дифрактометре Bruker D8 Advance. Термический анализ проводили на установке синхронного термического анализа STA 449F1 Jupiter® фирмы Netzsch. Морфологию образцов наблюдали с помощью электронного микроскопа Cross Beam Zeiss NVision 40. Для рентгеноспектрального микроанализа гафнатов использовали прибор Zeiss EVO 50 SEM с РСМА-анализатором e2v Sirius SD IXRF. Теплоемкость в интервале 5 – 340К измеряли автоматическим низкотемпературным калориметром АОЗТ «Термис». Измерения теплоемкости в интервале 340-1400 К проводили с использованием установки STA 449 F1 Jupiter (Netzsch) по стандартной методике. Изучение особенностей получения образцов танталатов РЗЭ, предназначенных для калориметрических исследований, проводили методами синхронного термического и рентгенофазового анализа (РФА). При нагревании образцов методом ДСК/ТГ наблюдали потерю воды до начала взаимодействия компонентов (600-950°С), которое характеризуется выраженным экзотермическим эффектом. Изучение образцов при последовательном отжиге при температурах 600, 800, 1000,1200 и 1400-1500°С, позволили отследить последовательность изменения кристаллической структуры от аморфного состояния до образования кристаллической фазы М`- и М-типов. Установлено, что образование стабильного моноклинного ортотанталата гадолиния М, осуществляется по одной из следующих схем с участием высокотемпературной тетрагональной модификации: M`+M (1200°C)→ M (<1370°C) ↔T (>1370°C) ↔M(охлаждение) (1) или M`+M (1200°C) →T (>1370°C) ↔M(охлаждение) (2). Существования низкотемпературной тетрагональной фазы T` в условиях проведения наших исследований танталатов РЗЭ наблюдали только для танталатов Er, Tm, Yb и Lu. Параметры кристаллической решетки полученных фаз были определены методом РФА. Нагревание прекурсоров до 1000°C приводит к образованию наноразмерной М`-фазы, которая становится полноразмерной только после отжига при 1200°C. Методом адиабатической калориметрии в интервале 7-350 К были выполнены измерения изобарной теплоемкости для: M-NdTaO4, M-SmTaO4, M-GdTaO4, M-DyTaO4, M`-YbTaO4, M`-LuTaO4, M-YTaO4, M`-YTaO4 и рассчитаны термодинамические функции (температурные зависимости т/д функций приводятся в виде таблиц). Изобарная теплоемкость танталатов РЗЭ была измерена методом ДСК в интервале температур 330 -1350 К. Рассчитаны коэффициенты уравнения Майера-Келли Cp(Дж/(моль·К)) = A + B·T + C/T2. Детальное изучение теплоемкости M` и M-YTaO4, показало, что различие в значениях теплоемкости Cp(M)-Cp(M’) невелико, но выходит за пределы доверительного интервала и наибольших относительных значений достигает в области самых низких температур. Измерения при высоких температурах (330-1400 K) позволили описать изобарную теплоемкость в общепринятом виде уравнением Майера-Келли. Аномалий теплоемкости для фаз M’ и М в области температур 5 – 1400 К не выявлено. Оценка термодинамических величин позволяет сделать предположение о метастабильности M`-фазы по отношению к М-модификации, несмотря термическую устойчивость M`-танталатов. Характеристические особенности синтеза гафнатов РЗЭ изучали методами синхронного термического анализа и рентгенофазового анализа (РФА) на образцах, отожженных при различных температурах. Установлено, что на первой стадии, после взаимодействия компонентов, образуется наноразмерная фаза флюорита Ln2O3·2HfO2. Дальнейшее нагревание до ~ 1300°C приводит к образованию соединения Ln2Hf2O7 со структурой пирохлора Fd-3m нормальной размерности. Изучение морфологии образцов с помощью СЭМ показало, что полноразмерные кристаллические образцы, пригодные для термодинамических исследований, могут быть получены только в результате высокотемпературного отжига при 1400-1600°C. Для дальнейших исследований были синтезированы образцы гафнатов РЗЭ, приведенные в таблице. В интервале температур 330-1350 К была измерена изобарная теплоемкость гафнатов самария и европия методом ДСК. Были определены коэффициенты уравнения Майера-Келли, сглаживающие температурные зависимости теплоемкости. Полученные термодинамические данные в широком интервале температур для танталатов и гафнатов РЗЭ могут быть использованы для термодинамического моделирования систем с их участием, а также оптимизации процессов синтеза оптических, медицинских и высокотемпературных теплозащитных материалов. Впервые показано, что соединения с пирохлороподобной структурой типа цирконолита Ln2FeTaO7 реализуются в ряду лантаноидов (Ln = Pr-Yb, включая Y). Синтезированы соответствующие образцы, в том числе 4 ранее неизвестных фаз с Ln= Pr, Nd, Er, Yb. Установлено, что критерий существования фаз со структурой типа пирохлора, связанный с величиной отношения радиусов катионов, занимающих две разные кристаллографические позиции, 1.46<rA/rB<1.78, справедлив и для структуры цирконалита. Это объясняет отсутствие подобного соединения в системе с оксидом лантана и церия. Проведено систематическое исследование, включающее разработку методов синтеза, изучение влияния условий синтеза на морфологию цирконалита, уточнение структуры синтезированных соединений, а также изучение их физико-химических и термических свойств. Разработаны две новые методики низкотемпературного синтеза Ln2FeTaO7. Использование метода соосаждения с последующим отжигом привело к снижению температуры синтеза на 500С (по сравнению с твердофазным методом) и получению продукта реакции, не содержащего технологическую примесь. Метод синтеза в расплаве солей с использованием в качестве флюса эвтектической смеси NaCl/KCl позволил снизить температуру на 700С. В зависимости от условий и метода синтеза получены образцы цирконолита с размером кристаллитов 75-200 нм. Изучен процесс кристаллизации и установлено, что синтез цирконалита протекает через образование нанокристаллической метастабильной фазы флюорита. Увеличение времени или температуры кристаллизации приводило к необратимому переходу образцов в фазу цирконолита. Исследование температурных зависимостей теплоемкости показало, что вплоть до температуры плавления 1320-1450С (в зависимости от состава) цирконолит не имеет полиморфных переходов. Методом Ритвельда решены структуры синтезированных соединений и на примере фаз Ln= Nd, Sm, Gd, Y получены температурные зависимости параметров решетки цирконолита в диапазоне 300-1273 К и определены коэффициенты теплового расширения. Определена область гомогенности твердых растворов со структурой пирохлора в системе Nd2O3 – HfO2 при 1600°С. При 1600°С область изоморфной смесимости в гафнатной системе значительно уже, чем в цирконатной Nd2O3 – ZrO2.Однофазными материалами являются номинально стехиометрически гафнат неодима Nd2Hf2O7 и твердый раствор с избытком неодима Nd2(Hf2-xNdx)O7-x/2 (x=0.1). Последний, однако, при увеличении изотермической выдержки от 5 до 10-ти часов частично распадается на исходные оксиды. С использованием метода механоактивации и последующего отжига при 1400ºС синтезированы Sm2ScTaO7 и кальций содержащие твердые растворы на его основе Sm2-xCaxScTaO7-δ (x = 0.05; 0.1). Согласно данным РФА, при увеличении содержания кальция, наблюдалось погасание сверхструктурных линий пирохлора, что свидетельствует об изменении структуры твердых растворов от пирохлора к флюориту. Для сравнения их с танталатами Sm2-xCaxScTaO7-δ (x = 0.05; 0.1) синтезированы ниобаты рзэ Ln2-xCaxScNbO7 (Ln = La, Sm,; x = 0, 0.05, 0.1). Исследование температурной зависимости общей проводимости и диэлектрической проницаемости (на малых частотах) на воздухе серии танталатов Sm2-xCaxScTaO7-δ (x = 0, 0.05; 0.1) выявило аномальное поведение Sm2ScTaO7, которое, скорее всего, связано, с незавершенностью перехода флюорит – пирохлор. В кальций-допированных танталатах такой переход отсутствовал. В связи с этим предпринято исследование возможного фазового перехода в Sm2ScTaO7 методом высокотемпературного РСА. Показано, что при нагреве и охлаждении образца Sm2ScTaO7 с постоянной скоростью, не наблюдали никаких выраженных изменений параметра решетки пирохлора, что означает отсутствие фазового перехода в Sm2ScTaO7. Однако, проведенное в изотермическом режиме высокотемпературное рентгеновское исследование показало, что в районе предполагаемого фазового перехода флюорит – пирохлор при 670-760°С, Sm2ScTaO7 находится в неравновесном состоянии. Длительная выдержка до 11-14 ч при 670°С приводит к некоторому росту параметра элементарной ячейки. Последнее может быть связано как с фазовым переходом флюорит – пирохлор, так и со взаимодействием порошка Sm2ScTaO7 с CO2 и H2O воздуха. Установлено, что исходные механически активированные смеси Sm2O3 + ½ Sc2O3 + ½ Ta2O5 и Nd2O3+2HfO2 содержат рентгеноаморфные карбонаты (Ln2(CO3) • n H2O) и гидроксокарбонаты рзэ (LnOHCO3 • n H2O) в количестве ~ 4-5%. Присутствие карбонатов и гидроксокарбонатов рзэ, как на поверхности, так и в объеме, препятствует кристаллизации пирохлора. Гидроксокарбонаты неодима, по-видимому, устойчивее, чем гидроксокарбонаты самария [1]. Разложение гидроксокарбонатов рзэ происходит в несколько этапов вплоть до очень высоких температур. При повторных прогревах механически активированных смесей в мягких восстановительных условиях (гелий) установлено, что Nd2Hf2O7 имеет тенденцию к восстановлению, тогда как Sm2ScTaO7 достаточно устойчив. Высокотемпературные керамики Nd2Hf2O7, Sm2ScTaO7, полученные при 1400-1600°С, также содержат в своем составе до 0.22% карбонатов и гидроксокарбонатов рзэ. При нагреве в окислительной атмосфере в интервале температур 25-1200°С у исследуемых пирохлоров отмечено 4 экзо-эффекта, которые в большей степени выражены у гафната неодима. 3 из них сопровождаются выделением O2, CO2, С. Широкий экзоэффект в интервале 700-880°С, который не сопровождается потерей массы, можно отнести к эффекту кристаллизации пирохлора для обеих систем. Предположительно, часть образца может иметь структуру флюорита. В пользу этого утверждения свидетельствуют данные КР спектроскопии Sm2ScTaO7. Однако, возможно также взаимодействие Sm2ScTaO7 с CO2 и H2O воздуха, что ведет к аморфизации порошка Sm2ScTaO7. Детальное описание выполненных исследований с рисунками и таблицами дано в приложенном файле.

 

Публикации

1. Тюрин А.В., Хорошилов А.В., Гуськов В.Н., Никифорова Г.Е., Балдаев Л.Х., Гавричев К.С./. Thermodynamic Properties of Monoclinic Samarium Orthotantalate M-SmTaO4 Russian Journal of Inorganic Chemistry, 2018, Vol. 63, No. 12, pp. 1599–1604 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1134/S0036023618120215

2. Хорошилов А.В., Ашмарин А.А., Гуськов В.Н., Сазонов Е.Г., Гавричев К.С., академик РАН Новоторцев В.М. Теплоемкость и термическое расширение танталата иттрия. Доклады Академии наук, Т.484, №2 (год публикации - 2019)

3. Гавричев К., Гуськов В., Хорошилов А., Тюрин А., Шляхтина А., Ашмарин А. Thermal and thermodynamic properties of some RE-tantalates 12 European Symposium on Thermal Analysis and Calorimetry, Brasov, Romania, Academica Greifswald, Germany., p.172 (год публикации - 2018)

4. Гавричев К.С. Calorimetric study of RE-containing high-temperature materials. XL National Congress on Calorimetry, Thermal Analysis and Applied Thermodynamics, Pisa Italy, 17-19.12.2018, - (год публикации - 2018)

5. Гавричев К.С., Гуськов В.Н., Никифорова Г.Е. Thermodynamic properties of RE-containing TBC materials 15 Russian Conference on thermophysical properties of substances, Moscow15-17.10.2018, C.166 (год публикации - 2018)

6. Гавричев К.С., Гуськов В.Н., Рюмин М.А., Хорошилов А.В., Гагарин П.Г., Кондратьева О.Н. Thermodynamic properties of RE-tantalates at high temperatures 16 IUPAC High Temperature Materials Chemistry Conference, 2-6.07.2018, Ekaterinburg, Russia, USPU, P.13 (год публикации - 2018)

7. Гуськов В.Н., Рюмин М.А. Сазонов Е.Г., Хорошилов А.В., Гавричев К.С. Термодинамические свойства танталатов иттрия и гадолиния Химия твердого тела и функциональные материалы-2018. Термодинамика и материаловедение: Тезисы докладов Всероссийской конференции с международным участием и 12 Всероссийского симпозиума с международным участием., с.51 (год публикации - 2018)

8. Хорошилов А.В., Гагарин П.Г., Гуськов А.В., Гуськов В.Н., Гавричев К.С. Теплоемкость цирконатов и гафнатов лантаноидов при 340-1400 К. 8 Международная научная конференция "Термодинамика и кинетика". ТверьТГУ, 2018, с.417 (год публикации - 2018)


Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Для проведения исследований синтезированы однофазные образцы ортотанталатов LnTaO4 (Ln=Eu-Lu), гафнатов лантаноидов Ln2Hf2O7(La-Tb) и твердых растворов Ln2O3·2HfO2 (Tb-Lu). Все вещества предварительно охарактеризованы методами РФА, РЭМ и химическим анализом и подтверждена возможность их использования для термодинамических исследований и изучения термического расширения. Методом адиабатической калориметрии в соответствии с планом измерена молярная теплоемкость пяти M-LnTaO4 ортотанталатов лантаноидов (Ln=Eu,Tb,Ho,Er,Tm) и, сверх плана, 2 M’-LnTaO4 ортотанталатов (Ln=Yb, Lu); а также 11 гафнатов Ln2Hf2O7(La-Tb) и твердых растворов Ln2O3·2HfO2 (Tb-Lu) при температурах до 350K. По сглаженным значениям теплоемкости рассчитаны термодинамические функции: энтропия, приращение энтальпии и приведенная энергия Гиббса без учета низкотемпературных магнитных превращений. Определены стандартные термодинамические свойства этих веществ при 298.15 K. Методом дифференциальной сканирующей калориметрии измерена теплоемкость указанных выше танталатов и гафнатов лантаноидов. Молярная теплоемкость ортотанталатов и гафнатов РЗЭ представлена в виде общепринятого уравнения Майера-Келли в интервале температур 320-1400 K. На основе полученных данных проведен анализ вклада аномалии Шоттки в молярную теплоемкость и для ряда веществ определен вид температурной зависимости вклада. Предложен модифицированный способ оценки температурной зависимости вклада аномалии Шоттки в теплоемкость соединений лантаноидов. Методом высокотемпературного рентгенофазового анализа в области температур 300-1273 K исследованы температурные зависимости параметров кристаллических решеток гафнатов Ln2Hf2O7 (La-Tb) и твердых растворов Ln2O3·2HfO2 (Tb-Lu), ортотанталатов LnTaO4 (Ln=Eu-Lu) и показан положительный характер зависимостей объемного термического расширения. Установлено отсутствие структурных фазовых переходов в области температур до 1400 K. Тестовые эксперименты по определению энтальпии образования методом дроп-калориметрии (растворения в расплаве) показали возможность использования молибдата натрия в качестве расплава. Проведенные тестовые измерения теплоемкостей M и M` моноклинных модификаций ортотаналата иттрия в области высоких температур показали отсутствие видимых аномалий. Погрешность определения теплоемкости в области фазового перехода оказалась сопоставима с различием в теплоемкости этих фаз. Полученные в ходе выполнения проекта данные могут быть использованы для термодинамических расчетов и оптимизации процессов получения теплозащитных конструкционных материалов. Показано существование ранее неизвестных фаз со структурой типа пирохлора в системах Ln2O3-Cr2O3-Ta2O5 (Ln = Sm, Gd, Y) и синтезированы соединения Ln2CrTaO7. Оптимизированы условия синтеза Ln2CrTaO7 методом соосаждения с последующим отжигом. Методами ДТА/ТГ, РФА и РЭМ изучено влияние условий синтеза на фазовый состав и микроструктуру Ln2CrTaO7. На основе данных дифракции синхротронного излучения методом Ритвельда рассчитаны структуры соединений Ln2CrTaO7, Ln = Sm, Gd, Y и показано, что они имеют кубическую структуру типа пирохлора, пр. гр. Fd-3m. Показано отсутствие полиморфных переходов в Ln2CrTaO7 вплоть до 1450С. С помощью высокоточного метода регистрации порошковой дифракции с использованием двумерного 2Θ –сканирующего детектора уточнены структуры ранее синтезированных соединений ряда Ln2FeTaO7, где Ln = (Y, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Yb. Установлено, что в отличие от хромсодержащих аналогов все соединения ряда Ln2FeTaO7 имеют пирохлороподобную гексагональную структуру, относящуюся к пр. гр. R-3. Этот результат опровергает ранее известные данные о принадлежности структуры Sm2FeTaO7 пр. гр. C2/c. Методом адиабатической калориметрии (22.52 – 346.16 K) и методом отношений с помощью ДСК измерений (330 – 1300 K) измерены температурные зависимости теплоемкости и рассчитаны термодинамические функции соединений Ln2FeTaO7 (Ln=Sm, Gd, Y). Показано, что температурные зависимости теплоемкости Ln2FeTaO7 не имеют каких-либо особенностей вплоть до 1300 К, за исключением области температур 2-25 К, в которой обнаружена аномалия. На примере Sm2FeTaO7, проведены AC и DC магнитные измерения в малых полях H=100 Э в температурном диапазоне 2-300 К. Исследование показало, что в Ln2FeTaO7 при низких температурах осуществляется переход в состояние спинового стекла, с которым, возможно, связана аномалия, наблюдаемая на температурной зависимости теплоемкости. Были предложены критерии поиска перспективных материалов для твердотопливных оксидных элементов (SOFC) среди пирохлоров Ln2-xDxM2O7-δ (Ln = La-Lu; M= Ti, Zr, Hf; D = Sr, Ca, Mg; x = 0, 0.1) используя геометрический параметр, характеризующий структуру пирохлора (фактор толерантности). Анализ большого объема информации по экспериментальным данным по кислородной и протонной проводимости позволил установить общие тенденции в поведении транспортных свойств как нелегированных, так и легированных пирохлоров РЗЭ. Показано, что для пиротитанатов, цирконатов и гафнатов РЗЭ со структурой пирохлора фактор толерантности G является хорошим критерием, позволяющим прогнозировать соединения с высокой проводимостью. Экспериментальные результаты для пирохлора Sm2ScTaO7. Результаты измерения температурной зависимости теплоемкости и неизменность структуры пирохлора при изменении температуры, а также постоянное значение коэффициента теплового расширения в широком диапазоне температур, могут свидетельствовать о том, что пирохлор Sm2ScTaO7, несомненно, является перспективным материалом для теплозащитных покрытий. В результате высокотемпературного отжига при 1700 ° С в течение 5 часов, была получена газо-плотная керамика Nd2(Hf2-xLnx)O7-x/2 (x=0.1) (геометрическая плотность ~ 96%). Впервые был обнаружен вклад протонной проводимости у Nd2Hf2O7 (2 × 10-6 S / cm at 700 ° C) и у твердого раствора Nd2(Hf2-xNdx)O7-x/2 (x=0.1) (1.2 × 10-5 S / cm at 700 ° C). Максимальная кислород-ионная проводимость у Nd2Hf2O7 в сухом воздухе составляет ~ 1 × 10-6 S/cm при 700 ° C, что на порядок больше, чем кислород-ионная проводимость, приведенная ранее в литературе для этого соединения. Любые методы синтеза на воздухе, которые предполагают формирование рентгеноаморфных (мелкодисперсных и нанокристаллических) прекурсоров, в состав которых входят оксиды РЗЭ, склонные к образованию на воздухе основных карбонатов и гидроксокарбонатов РЗЭ, всегда будут приводить к получению высокотемпературной керамики, содержащей углеродсодержащие соединения, аморфный углерод и/или графит в количестве не менее 0.5%. В диспрозиевой керамике количество углерода и углеродсодержащих соединений заметно меньше (~0.2%), чем в неодимовой (~0.5%), изученной ранее. Последнее связано с высокой термической стабильностью диоксомонокарбонатов первой половины ряда РЗЭ (La2O2CO3 и Nd2O2CO3). Кристаллизация гафнатов РЗЭ - процесс достаточно медленный, и может начинаться при таких низких температурах, как 550°С, что показано для флюорита DyHfO4-δ.

 

Публикации

1. Гавричев К.С., Тюрин А.В., Гуськов В.Н., Гагарин П.Г., Гуськов А.В. Низкотемпературная теплоемкость М-ортотанталата тербия и аномалия Шоттки. Журнал неорганической химии, - (год публикации - 2020)

2. Гавричев К.С., Шляхтина А.В., Хорошилов А.В., Тюрин А.В., Ашмарин А.А., Конышева Е.Ю. Thermal Expansion and Heat Capacity of Sm2ScTaO7 – A Promising Material for Thermal Barrier Coatings Journal of the American Ceramic Society, V.102., P. 4415-4420 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1111/jace.16446

3. Гуськов В.Н., Гагарин П.Г., Гуськов А.В., Тюрин А.В., Гавричев К.С. Low-temperature heat capacity of lanthanum hafnate Russian Journal of Inorganic Chemistry, V.64, No.11 P.1210-1214 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1134/S0044457X19110060

4. Гуськов В.Н., Гагарин П.Г., Гуськов А.В., Тюрин А.В., Хорошилов А.В., Гавричев К.С. Heat capacity and thermal expansion of neodymium hafnate Ceramics International, V. 45, p.20733-20737 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.07.057

5. Гуськов В.Н., Сазонов Е.Г., Тюрин А.В., Гуськов А.В., Рюмин М.А., Гавричев К.С. Thermodynamic properties of monoclinic neodymium orthotantalate M-NdTaO4 Russian Journal of Inorganic Chemistry, Vol. 64, No. 8, pp. 1041–1046 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1134/S0036023619080059

6. Гуськов В.Н., Сазонов Е.Г., Хорошилов А.В., Рюмин М.А., Гуськов А.В., Гавричев К.С. Heat Capacity and Thermal Expansion of Neodymium Orthotantalate Inorganic Materials, V.55, No.9, P.959-963 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1134/S0020168519090048

7. Гуськов В.Н., Хорошилов А.В., Рюмин М.А., Кондратьева О.Н., Гуськов А.В., Гавричев К.С. Thermal expansion and thermodynamic properties of M`-YbTaO4 ceramics Ceramics International, - (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.10.296

8. Егорышева А.В., Попова Е.Ф., Тюрин А.В., Хорошилов А.В., Гайтко О.М., Светогоров Р.Д. Сложные танталаты РЗЭ с пирохлороподобной структурой: синтез, структура и термические свойства Журнал неорганической химии, V.64, No.11. P.1154-1165 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1134/S0044457X19110059

9. Никифорова Г.Е., Кондратьева О.Н., Тюрин А.В., Рюмин М.А., Гуськов В.Н., Гавричев К.С. Thermophysical properties of M'-LuTaO4: structural and calorimetric studies. Journal of Alloys and Compounds, V.803, p. 1016-1022 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.06.354

10. Хорошилов А.В., Ашмарин А.А., Гуськов В.Н., Сазонов Е.Г., Гавричев К.С., Новоторцев В.М. Теплоемкость и термическое расширение танталата иттрия Доклады академии наук, том 484, № 2, с. 57–59 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.31857/S0869-5652484257-59

11. Гавричев К.С. Прецизионная калориметрия в ИОНХ РАН (краткий обзор) Журнал неорганической химии, - (год публикации - 2020)

12. Шляхтина А.В., Пигальский К.С. Tolerance factor as the basic criterion in searching for promising oxygen-ion and proton conductors among Ln2-xDxM2O7-δ (Ln = La-Lu; M= Sn, Ti, Zr, Hf; D= Sr, Ca, Mg; x = 0, 0.1) 3+/4+ pyrochlores Materials Research Bulletin, V.116, p. 72-78 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1016/j.materresbull.2019.04.021

13. Гавричев К., Гуськов В., Тюрин А., Рюмин М., Хорошилов А., Никифорова Г., Гагарин П., Гуськов А., Ашмарин А. Calorimetric and X-ray studies of RE tantalates and hafnates 5th Central and Eastern European Conference on Thermal Analysis and Calorimetry (CEEC-TAC5) and 14th Mediterranean Conference on Calorimetry and Thermal Analysis (Medicta2019)., Central and Eastern European Committee for Thermal Analysis and Calorimetry (CEEC-TAC) Academica Greifswald, Germany OP2.17 p.109 (год публикации - 2019)

14. Гавричев К.С., Гуськов В.Н., Никифорова Г.Е., Хорошилов А.В., Тюрин А.В., Гагрин П.Г., Гуськов А.В. Calorimetric studies of RE tantalates and hafnates 3rd International Seminar on Advanced Calorimetry, 15-18 October, Kazan, Russia, 2019, 3rd International Seminar on Advanced Calorimetry, 15-18 October, Kazan, Russia, 2019. p.11 (год публикации - 2019)

15. Никифорова Г., Гуськов В., Сазонов Е., Хорошилов А., Рюмин М., Гавричев К. Synthesis and calorimetric study of lanthanide orthotantalates 2nd Journal of Thermal Analysis and Calorimetry Conference, Budapest, Hungary, 2019. AKCongress, 2nd Journal of Thermal Analysis and Calorimetry Conference, Budapest, Hungary, 2019. AKCongress. P.495-496. (год публикации - 2019)

16. Попова Е.Ф., Веселова О.В., Гайтко О.М., Егорышева А.В. Синтез и термические свойства новых сложных танталатов РЗЭ IX Конференция молодых ученых по общей и неорганической химии. Москва, 9-12 апреля 2019 г., IX Конференция молодых ученых по общей и неорганической химии. Тезисы докладов. Москва, 9-12 апреля 2019 г. С. 204-205. (год публикации - 2019)

17. Попова Е.Ф., Веселова О.В., Гайтко О.М., Егорышева А.В. Разработка методики синтеза сложного оксида Y2FeTaO7 XXVI Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2019», секция «Химия». Москва, 8-12 апреля 2019 г., Материалы XXVI Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2019», секция «Химия». М.: изд. Перо, 2019. С. 427. (год публикации - 2019)

18. Шляхтина А.В., Воробьева Г.А., Леонов А.В., Стрелецкий А.Н. Crystallization of Ln2Ti2O7 (ln = Gd, Lu) using co-precipitation method: carbon in pyrochlores 2nd Journal of Thermal Analysis and Calorimetry Conference, Budapest, Hungary, 2019. AK Congress, 2nd Journal of Thermal Analysis and Calorimetry Conference, Budapest, Hungary, 2019. AK Congress. p.416-417 (год публикации - 2019)

19. Шляхтина А.В., Воробьева Г.А., Харитонова Е.П., Стрелецкий А.Н. Phase formation of Ln2Hf2O7 (Ln = Nd, Dy) using mechanical activation method. Carbon in hafnates. 2nd Journal of Thermal Analysis and Calorimetry Conference, Budapest, Hungary, 2019. AKCongress, Central and Eastern European Committee for Thermal Analysis and Calorimetry (CEEC-TAC) Academica Greifswald, Germany OP2.17 p.418-419 (год публикации - 2019)

20. Шляхтина А.В., Лысков Н.В., Щеголихин А.Н., Воробьева Г.А., Колбанев И.В., Л.Г. Щербакова Evolution of the structure and ionic conductivity of the solid solutions based on Nd2Hf2O7. XIX International Meeting on Crystal Chemistry, X-Ray Diffraction and Spectroskopy of Minerals, Apatity, 2019., XIX International Meeting on Crystal Chemistry, X-Ray Diffraction and Spectroskopy of Minerals, Apatity, 2019. Kola Science Centre, Book of Abstracts, p.168 (год публикации - 2019)


Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Образцы исследованных танталатов и гафнатов РЗЭ были получены методом обратного осаждения, их химическая и фазовая чистота показана методами химического анализа, рентгено-фазового анализа, синхронного термического анализа (ДТА/ТГ), растровой электронной микроскопии, масс-спектроскопии с индуктивно связанной плазмой и рентгено-флюоресцентного анализа. Впервые методом адиабатической и дифференциальной сканирующей калориметрии измерена молярная теплоемкость твердых растворов Ln2O3·2HfO2 (Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu), Y2O3·2HfO2 со структурой флюорита, гафната празеодима Pr2Hf2O7 (структура пирохлора) и танталатов LnTaO4 (La, Pr, Dy) при температурах ~10 - 1350 K. Выполнено сглаживание данных по теплоемкости и рассчитаны температурные зависимости стандартных термодинамических функций: энтропии, приращения энтальпии и приведенной энергии Гиббса без учета вклада магнитных превращений при температурах ниже 10 K. Полученные данные оформлены в стандартном табличном и аналитическом виде пригодном для использования в базах термодинамических данных. Проведена оценка аномального вклада в теплоемкость вследствие взаимодействия 4f-электронной оболочки и кристаллического поля парамагнитных соединений лантаноидов (аномалия Шоттки). Показано, что ее вид зависит как от лантаноида, так и структуры кристалла. С помощью двухуровневой модели проведена оценка набора частот, с помощью которых можно адекватно описать аномалию Шоттки в широком температурном диапазоне. Методом высокотемпературной рентгеновской дифракции определены температурные зависимости параметров кристаллических решеток танталатов LnTaO4 (Ln = La, Pr, Dy) и твердого раствора LaDyHf2O7 в интервале температур 300-1273 K. Показано отсутствие структурных превращений у всех исследованных веществ в этом температурном интервале, за исключением LaTaO4, который имеет аномалию теплоемкости в области 423-515 K. По результатам РФА выше 600 К существует только орторомбическая фаза. Впервые с использованием ЭПР спектроскопии исследован процесс окисления –восстановления европия в керамике на основе гафнатов РЗЭ. Согласно данным ЭПР, в пирохлоре Eu2(Hf2-xEux)O7-x/2 (x=0.1) легко восстанавливаются и окисляются ионы европия, находящиеся в позиции гафния. При температуре 840˚С после выдержки в течение 24 ч происходит полное окисление Eu2+ до Eu3+ в этих высокосимметричных позициях. Тем не менее, незначительное кол-во Eu2+ сохраняется в несимметричной позиции внутри полиэдров EuO8, что приводит к небольшой электронной составляющей у Eu2(Hf2-xEux)O7-x/2 (x=0.1). Только для пирохлоров с двумя позициями Eu2+ (симметричной (внутри HfO6) и несимметричной (внутри EuO8)), в отличие от флюорита, может быть реализован сигнал ЭПР Eu2+ при g 4.6 (1628 Гс). На поверхности полированных и термически травленных шлифов керамики состава Nd2(Hf2-xNdx)O7-x/2 (x= 0, 0.1) обнаружена сегрегация Nd2O3. Эффект связан с диффузией неодима из гафната неодима и соединений на основе Nd2Hf2O7 на поверхность и его сегрегации в виде оксида неодима при температуре термического травления 1450 ° C. Он проявляется только на полированных поверхностях, тогда как в объеме материала отношение Nd / Hf близко к заданному. Подобное явление наблюдалось ранее для других основных оксидов La2O3 и SrO. Результаты исследования влияния примесей гидроксокарбонатов гадолиния и лютеция на процесс фазообразования титанатов РЗЭ Ln2Ti2O7 (Ln = Gd, Lu) в настоящее время обрабатываются, в ближайшее время предполагается их опубликовать с указанием поддержки Российским научным фондом. Исследованы температурные зависимости кристаллохимических, магнитных и термодинамических свойств соединений со структурой пирохлора состава Ln2CrTaO7 (Ln=Sm, Gd, Y).Установлено, чтониже 150 К в Y2CrTaO7 наблюдается область отрицательного теплового расширения. На температурных зависимостях параметров решетки Sm2CrTaO7 и Gd2CrTaO7 областей отрицательного теплового расширения не выявлено. При этом на температурной зависимости параметра a для Gd2CrTaO7 имеется малозаметный перегиб в области 160-170 К. Показано, что подобное поведение обусловлено магнитными свойствами Ln2CrTaO7. Установлено, что магнитные свойства Ln2CrTaO7 определяются ФМ взаимодействиями Cr3+ подрешетки, для которой характерно наличие ФМ перехода в области 150 К. Ниже этого перехода возможно проявление магнитоупругих эффектов, в частности отрицательного коэффициента расширения, как в случае Y2CrTaO7. Внесение в решетку пирохлора РЗЭ магнитного катиона (наряду с хромом) приводит к АФМ взаимодействию между Ln-и Cr-подрешетками. Конкуренция между АФМ и ФМ взаимодействиями существенно меняет магнитное поведение пирохлоров. При этом вероятность деформации решетки, связанной со спонтанной намагниченностью в области ферромагнитного перехода, а также появление отрицательного термического расширения снижается. Обнаружены необычные магнитные свойства Gd2CrTaO7 при низких температурах. Конкурентные FM-и АСМ-взаимодействия в Cr-и Gd-подрешетках приводят к возникновению возвратного спинового стекла при T< 20 K. Также обнаружен FM-переход при 11 К. Состояние спинового стекла существует наряду с сильными FM-взаимодействиями. Методом адиабатической калориметрии (13 – 346.16 K) и методом отношений с помощью ДСК измерений (330 – 1300 K) измерены температурные зависимости теплоемкости и рассчитаны термодинамические функции соединений Ln2CrTaO7 (Ln=Sm, Gd, Y). Показано отсутствие полиморфных переходов в Ln2CrTaO7 вплоть до 1300С. Впервые изучены фазовые равновесия в субсолидусной области (Т=1200С) системы Sm2O3-CaO-Ta2O5 и показано существование в системах Ln2O3-CaO-Ta2O5, где Ln = Sm, Gd, Y, широких областей твердых растворов Ln3-3/2xCaxTa1+1/2xO7 с флюоритоподобной структурой. Разработана методика синтеза новых соединений. Изучение микроструктуры Ln3-3/2xCaxTa1+1/2xO7 показало отсутствие зависимости от состава образца. Получены образцы с размером зернами от 200-500 нм. Установлено, что синтез Ln3-3/2xCaxTa1+1/2xO7 идет через образование метастабильной фазы флюорита. В области 1000С происходит необратимый фазовый переход из кубического флюорита в орторомбически искаженный. Методом полнопрофильного анализа на примере составов Ln3/2CaTa3/2O7, где Ln = Sm, Gd, Y, показано, что с ростом ионного радиуса РЗЭ величины параметров кристаллической ячейки увеличиваются. Исследование температурных зависимостей теплоемкости Ln3-3/2xCaxTa1+1/2xO7 в температурном диапазоне 25-1500С показало отсутствие полиморфных переходов в этом диапазоне.

 

Публикации

1. А.В. Егорышева, О.Г. Эллерт, Д.И. Кирдянкин,Е.Ф. Попова, Р.Д. Светогоров Unusual magnetic properties and thermal expansion in chromium pyrochlores Ln2Cr2O7, Ln=Y, Sm, Gd Journal of Magnetism and Magnetic Materials, V.513, P.167226-1-8 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2020.167226

2. В.Н. Гуськов, А.В. Тюрин, А.В. Гуськов, П.Г. Гагарин, А.В. Хорошилов, К.С. Гавричев Thermal expansion and thermodynamic properties of gadolinium hafnate ceramics Ceramics International, V.46, P. 12822-12827 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2020.02.052

3. Гуськов В.Н., Хорошилов А.В., Рюмин М.А., Кондратьева О.Н., Гуськов А.В., Гавричев К.С. Thermal expansion and thermodynamic properties of M`-YbTaO4 ceramics Ceramics International, V.46, P.5402-5406 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.10.296

4. К. С. Гавричев, А. В. Тюрин, В. Н. Гуськов, П. Г. Гагарин, А. В. Гуськов, М. А. Рюмин Низкотемпературная теплоемкость М-ортотанталата тербия и аномалия Шоттки Журнал неорганической химии, Т.65, №5, С.651-659 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.31857/S0044457X20050086

5. К.С. Гавричев Precision Calorimetry in the Kurnakov Institute of General Russian Journal of Inorganic Chemistry, 65(5) (2020) 695-698 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1134/S0036023620050095

6. П.Г. Гагарин, А.В. Гуськов, В.Н. Гуськов, А.А. Ашмарин, Л.Х. Балдаев, Е.Г. Сазонов ,А.В. Хорошилов, К.С. Гавричев Теплоемкость и термическое расширение M-EuTaO4 Неорганические материалы, - (год публикации - 2021)

7. П.Г. Гагарин, А.В. Гуськов, В.Н. Гуськов, А.В. Тюрин, А.В. Хорошилов, К.С. Гавричев Thermal expansion and heat capacity of thulium orthotantalate Journal of Alloys and Compounds, V. 850, P. 156659 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.156659

8. П.Г. Гагарин, А.В. Гуськов, В.Н. Гуськов, А.В. Тюрин, А.В. Хорошилов, К.С. Гавричев Dysprosium orthotantalate ceramics: thermal expansion and heat capacity Ceramics International, - (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2020.09.072

9. П.Г. Гагарин, А.В. Гуськов, В.Н. Гуськов, А.В. Тюрин, А.В. Хорошилов, К.С. Гавричев Thermal expansion and heat capacities of holmium and erbium orthotantalates ceramics Journal of American Ceramic Society, V.100, P. 1-9 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1111/jace.17460

10. П.Г. Гагарин, А.В. Гуськов, В.Н. Гуськов, Л.Х. Балдаев, Е.Г. Сазонов, А.В. Тюрин, М.А. Рюмин, К.С. Гавричев Термодинамические свойства M-EuTaO4 Журнал неорганической химии, 2020, том 65, № 12, с. 1651–1655 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.31857/S0044457X2012003X

11. К.С. Гавричев, В.Н. Гуськов, П.Г. Гагаринб А.В. Тюрин, А.В. Гуськов, Г.Е. Никифорова, А.А. Ашмарин Heat capacity and thermal expansion of high-temperature mixed oxides: LnTaO4, Ln2Zr2O7, Ln2Hf2O7, Ln2O3.2ZrO2, Ln2O3.HfO2 16th International Conference on Thermal Analysis and Calorimetry in Russia, 16th International Conference on Thermal Analysis and Calorimetry in Russia (RTAC2020), July 6, 2020, Moscow, Russia, Book of Abstracts. – Moscow “Pero”, 2020, 9MB [Electronic edition]. (год публикации - 2020)

12. П.Г. Гагарин, В.Н. Гуськов, А.В. Тюрин, К.С. Гавричев Термодинамические функции М-ортотанталата тербия и аномалия Шоттки Х Конференция молодых ученых по общей и неорганической химии, Х Конференция молодых ученых по общей и неорганической химии, Тезисы докладов , Москва, 2020, С.32 (год публикации - 2020)

13. Попова Е.Ф., Веселова В.О., Егорышева А.В. Structure and thermal expansion of new high-temperature compounds Ln2CrTaO7 (Ln=Sm, Gd, Y) IV Конференция и школа для молодых ученых Терморентгенография и Рентгенография Наноматериалов, IV Конференция и школа для молодых ученых Терморентгенография и Рентгенография Наноматериалов Тезисы докладов , Санкт-Петербург, 2020, С.108 (год публикации - 2020)

14. - Новые термобарьерные материалы Сайт Министерства науки и высшего образования РФ, https://www.sciencemon.ru/office/org/blog/257538/ (год публикации - )


Возможность практического использования результатов
Полученная в ходе выполнения проекта информация о способах получения и свойствах высокотемпературных материалов на основе гафнатов и танталатов РЗЭ может быть использована при разработке новых материалов для авиакосмической техники (как термобарьерные материалы для авиадвигателей) и энергетики (при разработке твердооксидных топливных элементов ТОТЭ и защитных материалов для газотурбинных энергоустановок).