Моделирование фазовых равновесий в системе La2O3–SrO–ZrO2 с привлечением базы данных NUCLEA

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Изучены фазовые равновесия в системе La2O3–SrO–ZrO2, перспективной в качестве основы для разработки высокотемпературной керамики и материалов с уникальными оптическими, электрохимическими и каталитическими свойствами. Проведено термодинамическое моделирование фазовых равновесий в рассматриваемой системе с привлечением базы данных NUCLEA и минимизатора энергии Гиббса GEMINI2. Рассчитано 13 изотермических и одно политермическое сечение фазовой диаграммы системы La2O3–SrO–ZrO2 в температурном интервале 600–3023 K. Полученные данные о фазовых равновесиях в системе La2O3–SrO–ZrO2 сопоставлены с известной информацией для соответствующих бинарных систем. Показано, что фазовые соотношения в изученной системе полностью коррелируют с наличием фаз, присутствующих в соответствующих бинарных системах. Рассмотрены изменения фазовых соотношений и границ одно-, двух- и трехфазных областей в исследуемой системе при повышении температуры. Выявлены четыре точки тройной эвтектики при 2039, 2105, 2120 и 2351 K.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

В. А. Ворожцов

Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: v.vorozhcov@rambler.ru
Россия, Санкт-Петербург

В. И. Альмяшев

Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова РАН; Научно-исследовательский технологический институт им. А.П. Александрова

Email: v.vorozhcov@rambler.ru
Россия, Санкт-Петербург; Сосновый Бор

В. Л. Столярова

Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова РАН; Санкт-Петербургский государственный университет

Email: v.vorozhcov@rambler.ru
Россия, Санкт-Петербург; Санкт-Петербург

Список литературы

  1. Sarkar A., Djenadic R., Wang D. et al. // J. Eur. Ceram. Soc. 2018. V. 38. № 5. P. 2318. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2017.12.058
  2. Vinnik D.A., Trofimov E.A., Zhivulin V.E. et al. // Nanomaterials. 2020. V. 10. № 2. P. 268. https://doi.org/10.3390/NANO10020268
  3. Zaitseva O.V., Gudkova S.A., Trofimov E.A. et al. // IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng. 2021. V. 1014. № 1. P. 012060. https://doi.org/10.1088/1757-899X/1014/1/012060
  4. Ma W., Jin X.-L., Ren Y. et al. // ITSC Proc. 2015. P. 867. https://doi.org/10.31399/asm.cp.itsc2015p0867
  5. Nalbandian L., Evdou A., Zaspalis V. // Int. J. Hydrogen Energy. 2011. V. 36. № 11. P. 6657. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2011.02.146
  6. Keller M., Anderson D.P., Leion H. et al. // Appl. Catal., A: Gen. 2018. V. 550. P. 105. https://doi.org/10.1016/j.apcata.2017.10.020
  7. Klimkowicz A., Świerczek K., Takasaki A. et al. // Solid State Ionics. 2014. V. 257. P. 23. https://doi.org/10.1016/j.ssi.2014.01.018
  8. Speakman S.A., Carneim R.D., Payzant E.A. et al. // J. Mater. Eng. Perform. 2004. V. 13. № 3. P. 303. https://doi.org/10.1361/10599490419270
  9. Dąbrowa J., Olszewska A., Falkenstein A. et al. // J. Mater. Chem. A. 2020. V. 8. № 46. P. 24455. https://doi.org/10.1039/d0ta06356h
  10. Antonova E., Tropin E., Khodimchuk A. // Ionics. 2022. V. 28. № 11. P. 5181. https://doi.org/10.1007/s11581-022-04750-w
  11. Yan J., Wang D., Zhang X. et al. // J. Mater. Sci. 2020. V. 55. № 16. P. 6942. https://doi.org/10.1007/s10853-020-04482-0
  12. Shestakov V.A., Grachev E.V. // Russ. J. Inorg. Chem. 2022. V. 67. № 4. P. 488. https://doi.org/10.1134/S0036023622040179
  13. Vorozhtcov V.A., Stolyarova V.L. // Tech. Phys. 2021. V. 66. № 6. P. 872. https://doi.org/10.1134/S1063784221060219
  14. Lutsyk V.I., Zelenaya A.E. // Russ. J. Inorg. Chem. 2018. V. 63. № 7. P. 966. https://doi.org/10.1134/S0036023618070148
  15. Lutsyk V.I., Zelenaya A.E. // Russ. J. Inorg. Chem. 2018. V. 63. № 8. P. 1087. https://doi.org/10.1134/S0036023618080132
  16. Vorob’eva V.P., Zelenaya A.E., Lutsyk V.I. et al. // Glass Phys. Chem. 2021. V. 47. № 6. P. 616. https://doi.org/10.1134/S1087659621060328
  17. Vorob’eva V.P., Zelenaya A.E., Lutsyk V.I. // Russ. J. Inorg. Chem. 2021. V. 66. № 6. P. 894. https://doi.org/10.1134/S003602362106022X
  18. Hillert M. // Int. Met. Rev. 1985. V. 30. № 1. P. 45. https://doi.org/10.1179/imtr.1985.30.1.45
  19. Vorob’eva V., Zelenaya A., Lutsyk V. et al. // Mater. Sci. Eng., B. 2023. V. 297. P. 116790. https://doi.org/10.1016/J.MSEB.2023.116790
  20. Saunders N., Miodownik A.P. CALPHAD (Calculation of Phase Diagrams) : A Comprehensive Guide. Oxford: Pergamon Materials Series, 1998. 478 p. https://www.elsevier.com/books/calphad-calculation-of-phase-diagrams-a-comprehensive-guide/saunders/978-0-08-042129-2 (accessed May 14, 2020)
  21. Lukas H.L., Fries S.G., Sundman B. Computational thermodynamics: The Calphad method. N.Y.: Cambridge University Press, 2007. 324 p. https://doi.org/10.1017/CBO9780511804137
  22. Andersson J.O., Helander T., Höglund L. et al. // Calphad Comput. Coupling Phase Diagrams Thermochem. 2002. V. 26. № 2. P. 273. https://doi.org/10.1016/S0364-5916(02)00037-8
  23. Davies R.H., Dinsdale A.T., Gisby J.A. et al. // Calphad Comput. Coupling Phase Diagrams Thermochem. 2002. V. 26. № 2. P. 229. https://doi.org/10.1016/S0364-5916(02)00036-6
  24. Bale C.W., Chartrand P., Degterov S.A. et al. // Calphad Comput. Coupling Phase Diagrams Thermochem. 2002. V. 26. № 2. P. 189. https://doi.org/10.1016/S0364-5916(02)00035-4
  25. Bakardjieva S., Barrachin M., Bechta S. et al. // Prog. Nucl. Energy. 2010. V. 52. № 1. P. 84. https://doi.org/10.1016/j.pnucene.2009.09.014
  26. NUCLEA: Thermodynamic database for nuclear applications [Электронный ресурс]. URL: http://thermodata.online.fr/nuclea.html (дата обращения 30.03.2020).
  27. Guéneau C., Dupin N., Kjellqvist L. et al. // Calphad. 2021. V. 72. P. 102212. https://doi.org/10.1016/j.calphad.2020.102212
  28. Stolyarova V.L. // Russ. Chem. Rev. 2016. V. 85. № 1. P. 60. https://doi.org/10.1070/RCR4549
  29. Bechta S.V., Granovsky V.S., Khabensky V.B. et al. // Nucl. Eng. Des. 2008. V. 238. № 10. P. 2761. https://doi.org/10.1016/J.NUCENGDES.2008.04.018
  30. Vorozhtcov V.A., Yurchenko D.A., Almjashev V.I. et al. // Glass Phys. Chem. 2021. V. 47. № 5. P. 417. https://doi.org/10.1134/S1087659621050175
  31. Ворожцов В.А., Альмяшев В.И., Столярова В.Л. Расчет сечений фазовой диаграммы системы Zr-C-O с использованием базы данных NUCLEA / Под ред. Гельфонда Н.В. // Тез. докл. Симп. с международным участием «Термодинамика и материаловедение». Новосибирск: ИНХ СО РАН, 2023. С. 76. https://doi.org/10.26902/THERM_2023_056
  32. Sundman B., Ågren J. // J. Phys. Chem. Solids. 1981. V. 42. № 4. P. 297. https://doi.org/10.1016/0022-3697(81)90144-X
  33. Redlich O., Kister A.T. // Ind. Eng. Chem. 1948. V. 40. № 2. P. 345. https://doi.org/10.1021/ie50458a036
  34. Lopato L.M. // Ceramurg. Int. 1976. V. 2. № 1. P. 18. https://doi.org/10.1016/0390-5519(76)90004-1
  35. Grundy A.N., Hallstedt B., Gauckler L.J. // Acta Mater. 2002. V. 50. № 9. P. 2209. https://doi.org/10.1016/S1359-6454(01)00432-3
  36. Kitaguchi H., Ohno M., Kaichi M. et al. // J. Ceram. Soc. Jpn. 1988. V. 96. № 4. P. 397. https://doi.org/10.2109/jcersj.96.397
  37. Gavrilova L.Y., Aksenova T.V., Cherepanov V.A. // Russ. J. Inorg. Chem. 2008. V. 53. № 6. P. 953. https://doi.org/10.1134/S0036023608060235
  38. Zhang W.-W., Povoden-Karadeniz E., Shang Y. et al. // J. Eur. Ceram. Soc. 2023. V. 43. № 10. P. 4419. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2023.03.026
  39. Schulze A.-R., Müller-Buschbaum H. // Z. Anorg. Allg. Chem. 1980. V. 471. № 1. P. 59. https://doi.org/10.1002/zaac.19804710106
  40. Huang Z.K., Yan D.S., Tien T.Y. et al. // Mater. Lett. 1991. V. 11. № 8–9. P. 286. https://doi.org/10.1016/0167-577X(91)90204-J
  41. Andrievskaya E.R. // J. Eur. Ceram. Soc. 2008. V. 28. № 12. P. 2363. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2008.01.009
  42. Wang C., Fabrichnaya O., Zinkevich M. et al. // Calphad Comput. Coupling Phase Diagrams Thermochem. 2008. V. 32. № 1. P. 111. https://doi.org/10.1016/j.calphad.2007.07.005
  43. Zinkevich M. // Prog. Mater. Sci. 2007. V. 52. № 4. P. 597. https://doi.org/10.1016/J.PMATSCI.2006.09.002
  44. Fabrichnaya O., Lakiza S., Wang C. et al. // J. Alloys Compd. 2008. V. 453. № 1–2. P. 271. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2006.11.102
  45. Rouanet A. // Rev. Int. des Hautes Temp. des Refract. 1971. V. 8. № 2. P. 161.
  46. Traverse J.P., Foex M. // High Temp. - High Press. 1969. V. 1. P. 409.
  47. Noguchi T., Okubo T., Yonemochi O. // J. Am. Ceram. Soc. 1969. V. 52. № 4. P. 178. https://doi.org/10.1111/J.1151-2916.1969.TB13360.X
  48. Dash S., Sood D.D., Prasad R. // J. Nucl. Mater. 1996. V. 228. № 1. P. 83. https://doi.org/10.1016/0022-3115(95)00199-9
  49. Gong W., Xie Y., Zhao Z. et al. // J. Am. Ceram. Soc. 2020. V. 103. № 2. P. 1425. https://doi.org/10.1111/jace.16812

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Фазовая диаграмма системы La2O3–SrO, воспроизведенная из работы Лопато [34] (а), работы Гранди и др. [35] (б), базы данных NUCLEA [25] (в).

Скачать (337KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Фазовая диаграмма системы La2O3–ZrO2, воспроизведенная из работы Андриевской [41] (а), работы Вана и др. [42] (б), работы Фабричной и др. [44] (в), базы данных NUCLEA [25] (г).

Скачать (333KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Фазовая диаграмма системы SrO–ZrO2, воспроизведенная из работы [49] (а), базы данных NUCLEA [25] (б).

Скачать (165KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Изотермические сечения фазовой диаграммы системы La2O3–SrO–ZrO2, рассчитанные в настоящей работе с использованием базы данных NUCLEA [25] до температуры 646 K (а), при температуре 647 K (б).

Скачать (197KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Изотермические сечения фазовой диаграммы системы La2O3–SrO–ZrO2, рассчитанные в настоящей работе с использованием базы данных NUCLEA [25] при температуре 1500 (а) и 1778 K (б): 1 – La4Sr3O9 + SrO + Sr2ZrO4, 2 – La2O3 + La4Sr3O9 + Sr2ZrO4 и 3 – La2O3 + SrZrO3 + Sr2ZrO4. Серые линии соответствуют нодам, соединяющим составы сосуществующих фаз в двухфазных равновесиях.

Скачать (219KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Изотермические сечения фазовой диаграммы системы La2O3–SrO–ZrO2, рассчитанные в настоящей работе с использованием базы данных NUCLEA [25] при температуре 1814 K (а): 1 – La4Sr3O9 + SrO + Sr2ZrO4, 2 – La2O3 + La4Sr3O9 + Sr2ZrO4, 3 – La2O3 + SrZrO3 + Sr2ZrO4; при температуре 1815 K (б): 1 – La4Sr3O9 + SrO + Sr2ZrO4, 2 – La4SrO7 + La4Sr3O9 + Sr2ZrO4, 3 – La2O3 + La4SrO7 + Sr2ZrO4 и 4 – La2O3 + SrZrO3 + Sr2ZrO4. Серые линии соответствуют нодам, соединяющим составы сосуществующих фаз в двухфазных равновесиях.

Скачать (224KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Изотермические сечения фазовой диаграммы системы La2O3–SrO–ZrO2, рассчитанные в настоящей работе с использованием базы данных NUCLEA [25] при температуре 2100 K (а): 1 – L + SrO + Sr2ZrO4, 2 – L + Sr2ZrO4, 3 – L + SrZrO3 + Sr2ZrO4, 4 – L + SrZrO3, 5 – L + La4SrO7 + SrZrO3, 6 – L + SrO, 7 – L + La4Sr3O9 + SrO, 8 – L + + La4Sr3O9, 9 – L + La4SrO7, 10 – La2O3 + La4SrO7, 11 – La2O3 + La4SrO7 + SrZrO3, 12 – La2O3 + SrZrO3, 13 – La2O3 + + La2Zr2O7 + SrZrO3, 14 – La2Zr2O7 + SrZrO3 + F–ZrO2+x, 15 – SrZrO3 + F–ZrO2+x, 16 – SrZrO3 + F–ZrO2+x + t-ZrO2+x; при температуре 2132 K (б): 1 – L1 + SrO + Sr2ZrO4, 2 – L1 + Sr2ZrO4, 3 – L1 + SrZrO3 + Sr2ZrO4, 4 – L1 + SrZrO3, 5 – L1 + La2O3 + SrZrO3, 6 – L1 + SrO, 7 – L1 + La4SrO7, 8 – L1 + La2O3 + La4SrO7, 9 – L1 + La2O3, 10 – La2O3 + + La4SrO7, 11 – La2O3 + SrZrO3, 12 – L2 + La2O3 + SrZrO3, 13 – L2 + SrZrO3, 14 – L2 + La2O3, 15 – L2 + La2Zr2O7 + + SrZrO3, 16 – L2 + La2Zr2O7, 17 – L2 + La2O3 + La2Zr2O7, 18 – La2Zr2O7 + SrZrO3 + F–ZrO2+x, 19 – SrZrO3 + F–ZrO2+x + + t-ZrO2+x, 20 – SrZrO3 + F–ZrO2+x, 21 – La2Zr2O7 + F–ZrO2+x, 22 – F–ZrO2+x. Серые линии соответствуют нодам, соединяющим составы сосуществующих фаз в двухфазных равновесиях.

Скачать (261KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Изотермические сечения фазовой диаграммы системы La2O3–SrO–ZrO2, рассчитанные в настоящей работе с использованием базы данных NUCLEA [25] при температуре 2290 K (а): 1 – L + SrO + Sr2ZrO4, 2 – L + Sr2ZrO4, 3 – L + Sr2ZrO4 + Sr3Zr2O7, 4 – L + SrZrO3 + Sr3Zr2O7, 5 – L + SrZrO3, 6 – L + La2Zr2O7 + SrZrO3, 7 – L + La2Zr2O7, 8 – L + La2ZrO5 + La2Zr2O7, 9 – L + La2ZrO5, 10 – L + La2O3 + La2ZrO5, 11 – L + La2O3, 12 – L + La2O3 + La4SrO7, 13 – L + La4SrO7, 14 – L + SrO, 15 – La2Zr2O7 + SrZrO3 + F–ZrO2+x, 16 – SrZrO3 + F–ZrO2+x, 17 – La2Zr2O7 + F–ZrO2+x, 18 – F–ZrO2+x; при температуре 2370 K (б): 1 – L1 + SrO + Sr2ZrO4, 2 – L1 + Sr2ZrO4, 3 – L1 + Sr2ZrO4 + Sr3Zr2O7, 4 – L1 + SrZrO3 + Sr3Zr2O7, 5 – L1 + SrZrO3, 6 – L1 + La2Zr2O7 + SrZrO3, 7 – L1 + La2Zr2O7, 8 – L1 + La2O3, 9 – L1 + SrO, 10 – L2 + La2Zr2O7 + SrZrO3, 11 – L2 + SrZrO3, 12 – L2 + SrZrO3 + F–ZrO2+x, 13 – L2 + F–ZrO2+x, 14 – L2 + La2Zr2O7 + F–ZrO2+x, 15 – L2 + La2Zr2O7, 16 – SrZrO3 + F–ZrO2+x, 17 – La2Zr2O7 + F–ZrO2+x, 18 – F–ZrO2+x. Серые линии соответствуют нодам, соединяющим составы сосуществующих фаз в двухфазных равновесиях.

Скачать (230KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Изотермические сечения фазовой диаграммы системы La2O3–SrO–ZrO2, рассчитанные в настоящей работе с использованием базы данных NUCLEA [25] при температуре 2522 K (а): 1 – L + SrO, 2 – L + SrZrO3, 3 – L + SrZrO3 + + F–ZrO2+x, 4 – L + F–ZrO2+x, 5 – L + La2Zr2O7, 6 – L + La2O3, 7 – SrZrO3 + F–ZrO2+x, 8 – F–ZrO2+x; при температуре 2554 K (б): 1 – L + SrO, 2 – L + SrZrO3, 3 – L + SrZrO3 + F–ZrO2+x, 4 – L + F–ZrO2+x, 5 – L + La2O3, 6 – F–ZrO2+x, при температуре 2587 К (в): 1 – L + SrO, 2 – L + SrZrO3, 3 – L + F–ZrO2+x, 4 – F–ZrO2+x. Серые линии соответствуют нодам, соединяющим составы сосуществующих фаз в двухфазных равновесиях.

Скачать (287KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Политермическое сечение La2Zr2O7–SrZrO3 фазовой диаграммы системы La2O3–SrO–ZrO2, рассчитанное в настоящей работе с использованием базы данных NUCLEA [25].

Скачать (92KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024