Тема: Процессы испарения и термодинамические свойства керамики на основе системы Gd2O3-Y2O3-HfO2
Закажите новую по вашим требованиям
Представленный материал является образцом учебного исследования, примером структуры и содержания учебного исследования по заявленной теме. Размещён исключительно в информационных и ознакомительных целях.
Workspay.ru оказывает информационные услуги по сбору, обработке и структурированию материалов в соответствии с требованиями заказчика.
Размещение материала не означает публикацию произведения впервые и не предполагает передачу исключительных авторских прав третьим лицам.
Материал не предназначен для дословной сдачи в образовательные организации и требует самостоятельной переработки с соблюдением законодательства Российской Федерации об авторском праве и принципов академической добросовестности.
Авторские права на исходные материалы принадлежат их законным правообладателям. В случае возникновения вопросов, связанных с размещённым материалом, просим направить обращение через форму обратной связи.
📋 Содержание
1 Обзор литературы.
1.1 Актуальность изучения керамики на основе системы Gd2O3-Y2O3-HfO2 ...............7
1.2 Особенности фазовых равновесий в системе Gd2O3-Y2O3-HfO2............................10
1.3 Испарение и термодинамические свойства индивидуальных оксидов в системе
Gd2O3-Y2O3-HfO2.
1.3.1 Оксид гадолиния(III)
1.3.2 Оксид иттрия(III)
1.3.3 Оксид гафния(IV)
1.4 Испарение и термодинамические свойства бинарных систем Gd2O3-Y2O3, Gd2O3-
HfO2, Y2O3-HfO2
2 Экспериментальная часть
2.1 Масс-спектрометрический эффузионный метод Кнудсена
2.2 Аппаратура
2.3 Получение и анализ химического состава керамики на основе системы Gd2O3-
Y2O3-HfO2
2.4 Результаты изучения процессов испарения и термодинамических свойств
системы Gd2O3-Y2O3-HfO2
2.4.1 Испарение и термодинамические свойства компонентов в системе Gd2O3-
Y2O3
2.4.2 Испарение образцов и термодинамические свойства компонентов в системе
Gd2O3-Y2O3-HfO2
2.5 Возможности применения метода Редлиха-Кистера для описания
термодинамических свойств многокомпонентных систем.
3 Обсуждение результатов
3.1 Достоверность полученных экспериментальных данных
3.2 Особенности описания термодинамических свойств керамики на основе
системы Gd2O3-Y2O3
3.3 Особенности описания термодинамических свойств керамики на основе
системы Gd2O3-Y2O3-HfO2
Выводы
Благодарности.
Список литературы.
Приложение А.
Приложение Б
Приложение В
📖 Введение
многих областях техники, например, в ракетостроении, самолѐтостроении, энергетике
и металлургии. Синтез и эксплуатация изделий из оксидных материалов высшей
огнеупорности, как правило, протекают при высоких температурах, поэтому для их
успешного получения и применения необходима информация о процессах испарения
и термодинамических свойствах перспективных оксидных систем.
Объектом исследования в настоящей работе является керамика на основе
системы Gd2O3-Y2O3-HfO2, которая представляет значительный интерес для создания
широкого спектра новых материалов. Наличие в составе данной системы оксида
гафния, стабилизированного оксидами редкоземельных элементов, делает возможным
получение на основе системы Gd2O3-Y2O3-HfO2 материалов высшей огнеупорности,
которые могут применяться в различных областях современных высокотемпературных технологий. Как неоднократно показано [2, 3], керамика на
основе исследуемой системы может использоваться при создании форм отливки
лопаток газотурбинных двигателей (ГТД) с целью оптимизации технологии литья деталей ГТД из ниобиевых сплавов, что представляет собой актуальную и сложную задачу для современной авиационно-космической техники [4, 5]. На основе системы
Gd2O3-Y2O3-HfO2 также могут быть разработаны перспективные термобарьерные покрытия с низкой теплопроводностью [6-9]. Благодаря высокому коэффициенту поглощения нейтронов, оксид гафния, стабилизированный оксидами редкоземельных
элементов, может также применяться для технологически важных материалов в ядерной промышленности, например, регулирующих стержней в ядерных реакторах [10].5
Керамика высшей огнеупорности, как правило, синтезируется и
эксплуатируется при высоких температурах, при которых возможно избирательное
испарение компонентов. Следовательно, факторами, ограничивающими применение
материалов на основе системы Gd2O3-Y2O3-HfO2, могут являться:
- избирательное испарение оксидов редкоземельных элементов, более легколетучих по сравнению с HfO2;
- наличие высокотемпературных фазовых переходов в твѐрдой фазе между полиморфными модификациями оксида гафния, приводящих к значительному изменению физико-химических свойств.
Таким образом, изучение высокотемпературных равновесий конденсированная фаза-пар в системе Gd2O3-Y2O3-HfO2 весьма актуально для широкого спектра
высокотемпературных приложений в современной технике. Термодинамические свойства системы Gd2O3-Y2O3-HfO2, которые впервые могут быть получены при
высоких температурах, не только представляют интерес с прикладной точки зрения для выявления эффективных подходов при синтезе и эксплуатации материалов на
основе рассматриваемой системы, но и имеют самостоятельное фундаментальное
значение. Указанные данные могут быть использованы в дальнейшем для прогнозирования термодинамических свойств и фазовых равновесий в рамках различных модельных представлений.
Данные о процессах испарения и термодинамических свойствах системы Gd2O3-Y2O3-HfO2 в широком концентрационном диапазоне в литературе не найдены.
Ранее были изучены процессы испарения и термодинамические свойства двух бинарных систем Gd2O3-HfO2 [11], Y2O3-HfO2 [12] и единственного образца системы
Gd2O3-Y2O3 [13]. Следовательно, в данной работе для восполнения пробелов в
информации о равновесиях конденсированная фаза-пар в системе Gd2O3-Y2O3-HfO2
будет впервые проведено изучение процессов испарения и термодинамических
свойств образцов керамики на еѐ основе методом высокотемпературной массспектрометрии (ВТМС). ВТМС является уникальным экспериментальным подходом, объединяющим классический эффузионный метод определения общего давления пара
над исследуемой системой и масс-спектрометрический анализ состава пара над ней.
Взаимодополняющее сочетание возможностей двух указанных методов позволяет не6
только идентифицировать молекулярные формы пара и определять их парциальные
давления, но и получать термодинамические свойства компонентов в конденсированной фазе и молекулярных форм пара. К важной информации, получаемой методом ВТМС, относятся температурные диапазоны и формы испарения
компонентов образцов, скорости их испарения, а также определение возможности
избирательного испарения компонентов изучаемой системы.
Таким образом, целью настоящей работы является изучение процессов испарения и термодинамических свойств образцов керамики на основе системы Gd2O3-Y2O3-HfO2 методом ВТМС. В связи с этим поставлены следующие задачи для достижения цели данного исследования:
- идентификация молекулярных форм пара над керамическими образцами системы Gd2O3-Y2O3-HfO2 методом ВТМС;
- определение парциальных давлений идентифицированных молекулярных
форм пара и скоростей испарения указанных образцов керамики при высоких температурах;
- определение активностей компонентов в системе Gd2O3-Y2O3-HfO2;
- оценка избыточной энергии Гиббса и энергии Гиббса смешения в системе Gd2O3-Y2O3-HfO2;
- рассмотрение полученных в настоящей работе термодинамических свойств в системе Gd2O3-Y2O3-HfO2 с использованием аппроксимации по методу РедлихаКистера, а в бинарной системе Gd2O3-Y2O3 в рамках теории регулярных и субрегулярных растворов.
✅ Заключение
1. В масс-спектрах пара над образцами керамики на основе системы Gd2O3- Y2O3-HfO2 при температуре 2500 К были идентифицированы ионы GdO+ и YO+. На основании измерения энергий появления данных ионов экспериментально
установлено, что основными молекулярными формами пара над рассматриваемыми образцами являются оксид гадолиния(II) GdO, оксид иттрия(II) YO и атомарный
кислород O, при этом при данной температуре конденсированная фаза обогащается HfO2.
2. При температуре 2500 К определены парциальные давления молекулярных форм пара GdO, YO и О над изученными образцами керамики методом
сравнения ионных токов при использовании золота в качестве внутреннего стандарта
давления.
3. Активности Gd2O3 и Y2O3, а также избыточные энергии Гиббса в образцах системы Gd2O3-Y2O3-HfO2, найденные на основе экспериментальных данных, свидетельствуют об отрицательных отклонениях от идеального поведения в рассматриваемой системе при температуре 2500 К.
4. С использованием метода Редлиха-Кистера получена концентрационная зависимость избыточных энергий Гиббса в системе Gd2O3-Y2O3-HfO2, аппроксимирующая найденные на основе экспериментальных данных значения этих величин.
5. Информация о термодинамическом описании ранее изученных бинарных систем: Gd2O3-HfO2 и Y2O3-HfO2 – была дополнена данными о процессах испарения и термодинамических свойствах системы Gd2O3-Y2O3 при температуре 2630 К.
Полученные активности Gd2O3 и Y2O3, а также избыточные энергии Гиббса в твѐрдом растворе гексагональной модификации в системе Gd2O3-Y2O3 свидетельствовали о значительных отрицательных отклонениях от идеального поведения.77
Проиллюстрирована возможность описания термодинамических свойств твѐрдого раствора гексагональной модификации в системе Gd2O3-Y2O3 с использованием модели субрегулярных растворов.
6. С использованием парциальных давлений молекулярных форм пара GdO, YO и О над изученными образцами системы Gd2O3-Y2O3-HfO2 на основе уравнения
Герца-Кнудсена рассчитаны скорости испарения рассматриваемых образцов при температуре 2500 К. Показано, что наименьшей скоростью испарения характеризуются образцы керамики, расположенные в концентрационной области с содержанием Gd2O3 не более 25 мол. %, что может позволить рекомендовать образцы, находящиеся в этом концентрационном диапазоне, для дальнейшей эксплуатации при высоких температурах как образцы керамики, имеющие наименьшие потери массы при нагревании



