高压下Y2O3/ZrO2的电输运性质与结构研究

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ZrO2固溶体具有硬度高、熔点高以及耐磨性好等优良特性,在陶瓷刀具、氧传感器件、人造牙齿和陶瓷隔热层等方面有着广泛的应用。ZrO2固溶体的优异性能与其结构和电输运等特性密不可分,因此开展相关的物性研究对于ZrO2的应用具有重要意义。压力可以通过压缩原子间距,改变物质的晶体结构和能带结构,从而为物质带来新的特性。本论文中,我们利用高压原位阻抗谱方法和同步辐射X光衍射技术,研究了高压下Y2O3/ZrO2固溶体的电输运性质和结构变化,目的是了解Y2O3/ZrO2固溶体的相关物性在压力下的演化规律,发现新现象。研究得到如下结果:1、利用化学共沉淀法制备了具有立方相结构的Y2O3/ZrO2固溶体。X光电子能量谱(XPS)分析表明,样品由O,Y和Zr元素组成,元素分别对应O2+,Y3+,Zr4+状态,证明了合成的样品是Y2O3/ZrO2。样品中各元素比例为Zr:Y:O=19.88:24.62:55.5,XRD图谱与标准PDF卡片相符,样品结构:cubic,空间群:Fm-3m,a=5.138?。2、对Y2O3/ZrO2固溶体进行了高压原位交流阻抗谱研究。阻抗谱中只能看到一个半圆,说明样品的晶粒和晶界对交流信号的响应相同。随着压力的增加,Y2O3/ZrO2固溶体电阻不断减小。当压力增加到13.3GPa时,电阻突然变大。因此推测,样品在13.3GPa时可能发生了结构相变,但需要X光衍射实验验证。3、通过高压原位同步辐射X光衍射,发现在高压下,Y2O3/ZrO2固溶体的衍射图谱中没有衍射峰的消失或劈裂,也没有新衍射峰的出现。通过Rietveld精修,发现衍射峰位和立方相结构相符,说明Y2O3/ZrO2固溶体的晶体结构在我们研究的压力范围内稳定,始终保持立方相结构。晶面间距d和晶胞体积V随着压力的增加而减小,晶体变得致密。在13.1GPa,晶面间距d和晶胞体积V减小趋势变缓,体系发生等结构相变(二级相变)。根据二阶Birch-Murnaghan状态方程,我们对两个压力阶段的数据进行了拟合。当压力小于13.1GPa时,体弹模量B0=125GPa;当压力大于13.1GPa时,B0=290GPa,体弹模量增加了132%,材料变得更难压缩。体弹模量在13.1GPa这个压力点处发生突变,进一步说明了Y2O3/ZrO2样品在13.1GPa处发生了等结构相变。同时,也说明了Y2O3/ZrO2固溶体电输运性质发生异常变化是由于等结构相变引起的。
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