Представлен обзор применений диоксида циркония, частично стабилизированного оксидом иттрия, в различных высокотехнологичных областях. Особое внимание уделяется его использованию в суперконденсаторах, где данный материал существенно повышает стабильность устройств при длительных циклических испытаниях, что критически важно для их практического применения. В сфере твердооксидных топливных элементов диоксид циркония, частично стабилизированный оксидом иттрия, демонстрирует исключительные характеристики, выступая в роли электролита, анода и мембран. При работе в диапазоне температур 800…1000 °C материал обеспечивает высокую ионную проводимость по кислороду, что напрямую влияет на эффективность всего топливного элемента. В микроэлектронике диоксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия, находит применение в производстве тонкопленочных транзисторов, где его выдающиеся диэлектрические свойства и термическая стабильность становятся определяющими факторами. Это позволяет создавать надежные и высокопроизводительные электронные компоненты. В авиационной промышленности и производстве газотурбинных двигателей диоксид циркония, частично стабилизированный оксидом иттрия, используется как теплозащитное покрытие для деталей горячего тракта. Материал демонстрирует превосходную устойчивость к экстремальным температурным нагрузкам, что делает его идеальным решением для защиты критически важных компонентов. Рассмотрены различные методы нанесения таких покрытий, включая плазменное напыление и химическое осаждение из газовой фазы, а также представлен детальный анализ их характеристик, включая слоистость, пористость, кристаллическую структуру покрытий и их термическую стабильность.
Артем Андреевич Андронов – аспирант, кафедра физики, Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, Томск, Россия
Александр Александрович Никитин – аспирант, кафедра авиационных двигателей, Уфимский университет науки и технологий (УУНиТ), Уфа, Россия
Денис Борисович Золотухин – доктор физико-математических наук, доцент, кафедра физики, Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, Томск, Россия
Сергей Алексеевич Сальников – магистрант, кафедра передовой инженерной школы «Электронное приборостроение и системы связи» им. А. В. Кобзева (ПИШ), Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, Томск, Россия
Андрей Владимирович Тюньков – кандидат технических наук, доцент, кафедра физики, Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, Томск, Россия
Юрий Георгиевич Юшков – доктор технических наук, доцент, кафедра физики, Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, Томск, Россия
1. Cardarelli. Materials Handbook. 2nd ed. London: Springer, 2008. 1340 p. DOI: 10.1007/978-1-84628-669-8_10
2. Lavasani H. Q., Valefi Z., Ehsani N., Masoule S. T. Comparison of the effect of sintering on the microstructure, micro hardness and phase composition of conventional and nanostructured YSZ TBCs // Ceramics International. 2017. V. 43, No. 15. 12497 – 12504. DOI: 10.1016/j.ceramint.2017.06.120
3. Song X., Liu Z., Kong M., et al. Thermal stability of yttria-stabilized zirconia (YSZ) and YSZ-Al2O3 coatings // Ceramics International. 2017. V. 43, No. 16. P. 14321 – 14325. DOI: 10.1016/j.ceramint.2017.07.186
4. Cho J., Park J., An J. Low thermal conductivity of atomic layer deposition yttria-stabilized zirconia (YSZ) thin films for thermal insulation applications // Journal of the European Ceramic Society. 2017 V. 37, No. 9. P. 3131 – 3136. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2017.03.045
5. Stubican V. Phase equilibria and metastabilities in the systems ZrO2–MgO, ZrO2–CaO, and ZrO2–Y2O3 // Advances in Ceramics. 1980. V. 24, No. 11–12. P. 71 – 82. DOI: 10.1111/j.1151-2916.1978.tb09220.x
6. Оковитый В. В. Выбор оксидов для стабилизации диоксида циркония при получении теплозащитных покрытий // Наука и техника. 2015. № 5. С. 26 – 32.
7. Жуков А. В., Попова Н. А., Клименко О. М. и др. Влияние природы исходной соли циркония на морфологию и структуру гидроксидов – прекурсоров для керамики на основе ЧСДЦ // Успехи в химии и химической технологии. 2009. Т. 23, № 9. С. 30 – 35.
8. Даниелян А. Т., Андреев Д. В. Синтез диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия // Успехи в химической технологии. 2019. Т. 33, № 4. С. 58–59.
9. Новикова Ю. В., Пузырев И. С., Строева А. Ю. и др. Формирование пленок YSZ электролита на подложках NiO-YSZ методом окунания в суспензии на водной основе // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология». 2017. № 31 – 36. С. 63.
10. Sun B., Wang H., Peng C. Harnessing solid-state technology for next-generation iron–air batteries // Sustainable Energy & Fuels. 2024. V. 8, No. 24. P. 5711 – 5730.
11. Кустов Л. М., Васина Т. В., Ксенофонтов В. А. Ионные жидкости как каталитические среды // Российский химический журнал. 2004. Т. 48, № 6. С. 13 – 35.
12. Ворончихина Л. И., Журавлев О. Е., Тараскина М. Ю., Шторих К. А. Синтез и термическая стабильность ионных жидкостей с металлсодержащим анионом // Вестник Тверского государственного университета. Серия: Химия. 2020. № 2. С. 113 – 120.
13. Асланов Л. А., Захаров М. А., Абрамычева Н. Л. Ионные жидкости в ряду растворителей. М.: Изд-во МГУ, 2005. 272 с.
14. Патент на полезную модель № 140967 U1 Российская Федерация, МПК C23F 17/00. Лопатка газотурбинной установки с многослойным керамическим покрытием: № 2013129641/02; заявл. 28.06.2013; опубл. 20.05.2014 / Л. Х. Балдаев, Н. А. Доброхотов, И. Р. Дубов [и др.]; заявитель Фонд поддержки научной, научно-технической и инновационной деятельности «Энергия без границ» (Фонд «Энергия без границ»), Общество с ограниченной ответственностью «Технологические системы защитных покрытий».
15. Chang C. H., Hsia B., Alper J. P., et al. High-temperature all solid-state microsupercapacitors based on SiC nanowire electrode and YSZ electrolyte // ACS Applied Materials & Interfaces. 2015. V. 7, No. 48. P. 26658 – 26665. URL: https://doi.org/10.1021/acsami.5b08423
16. Соловьев А. А., Сочугов Н. С., Шипилова А. В. и др. Среднетемпературные твердооксидные топливные элементы с тонкопленочным ZrO2:Y2O3 электролитом // Электрохимия. 2011. Т. 47, № 4. С. 524 – 533. [Soloviev A. A., Sochugov N. S., Shipilova A. V., et al. Medium-temperature solid oxide fuel cells with thin-film ZrO2:Y2O3 electrolyte // Electrochemistry. 2011. V. 47, No. 4. P. 524 – 533.]
17. Соловьев А. А., Сочугов Н. С., Ионов И. В. Магнетронное формирование Ni-YSZ-анодов твердооксидных топливных элементов // Электрохимия. 2014. Т. 50, № 7. С. 724 – 732.
18. Wei C. C., Li K. Yttria-stabilized zirconia (YSZ)-based hollow fiber solid oxide fuel cells // Industrial & Engineering Chemistry Research. 2008. V. 47, No. 5. P. 1506 – 1512. DOI: doi.org/10.1021/ie070960v
19. Liu S., Li K., Hughes R. Preparation of porous aluminium oxide (Al2O3) hollow fibre membranes by a combined phase-inversion and sintering method // Ceramics International. 2003. V. 29, No. 8. P. 875 – 881. DOI: doi.org/10.1016/S0272-8842(03)00030-0
20. Antoniou G., Halcovitch N. R., Mucientes M., et al. Solution-processed thin film transistors incorporating YSZ gate dielectrics processed at 400?°C // APL Materials. 2022. V. 10, No. 3. DOI: doi.org/10.1063/5.0079195
21. Nomura K., Ohta H., Takagi A., et al. Room-temperature fabrication of transparent flexible thin-film transistors using amorphous oxide semiconductors // Nature. 2004. V. 432, No. 7016. P. 488 – 492. DOI: 10.1038/nature03090
22. Fortunato E., Barquinha P., Martins R. Oxide semiconductor thin?film transistors: a review of recent advances // Advanced Materials. 2012. V. 24, No. 22. P. 2945 – 2986. DOI: doi.org/10.1002/adma.201103228
23. Engel-Herbert R., Hwang Y., Cagnon J., Stemmer S. Metal-oxide-semiconductor capacitors with ZrO2 dielectrics grown on In0. 53Ga0. 47As by chemical beam deposition // Applied Physics Letters. 2009. V. 95, No. 6. DOI: doi.org/10.1063/1.3204465
24. Hausmann D. M., Kim E., Becker J., Gordon R. G. Atomic layer deposition of hafnium and zirconium oxides using metal amide precursors // Chemistry of Materials. 2002. V. 14, No. 10. P. 4350 – 4358. DOI: doi.org/10.1021/cm020357x
25. Wilk G. D., Wallace R. M., Anthony J. M. High-k gate dielectrics: Current status and materials properties considerations // Journal of Applied Physics. 2001. V. 89, No. 10. P. 5243 – 5275. DOI: 10.1063/1.1361065
26. Meyers S. T., Anderson J. T., Hong D., et al. Solution-processed aluminum oxide phosphate thin-film dielectrics // Chemistry of Materials. 2007. V. 19, No. 16. P. 4023 – 4029. DOI: 10.1021/cm0702619
27. Hartmanova M., Gmucova K., Thurzo I. Dielectric properties of ceria and yttria-stabilized zirconia thin films grown on silicon substrates // Solid State Ionics. 2000. V. 130, No. 1–2. P. 105 – 110. DOI: doi.org/10.1016/S0167-2738(00)00285-X
28. Wang S. J., Ong C. K., Xu S. Y., et al. Electrical properties of crystalline YSZ films on siliconas alternative gate dielectrics // Semiconductor Science and Technology. 2001. V. 16, No. 3. P. 13 – 16. DOI: 10.1088/0268-1242/16/3/101
29. Jeong S. H., Bae I. S., Shin Y. S., et al. Physical and electrical properties of ZrO2 and YSZ high-k gate dielectric thin films grown by RF magnetron sputtering // Thin Solid Films. 2005. V. 475, No. 1–2. P. 354 – 358. DOI: doi.org/10.1016/j.tsf.2004.07.023
30. Cao X. Q., Vassen R., Stover D. Ceramic materials for thermal barrier coatings // Journal of the European Ceramic Society. 2004. V. 24, No. 1. P. 1 – 10. DOI: 10.1016/S0955-2219(03)00129-8
31. Clarke D. R., Phillpot S. R. Thermal barrier coating materials // Materials Today. 2005. V. 8, No. 6. P. 22 – 29. DOI: 10.1016/S1369-7021(05)70934-2
32. Aruna S. T., Balaji N., Rajam K. S. Phase transformation and wear studies of plasma sprayed yttria stabilized zirconia coatings containing various mol% of yttria // Materials Characterization. 2011. V. 62, No. 7. P. 697 – 705.
33. Жерздев С. В., Тамарин Ю. А. Теплозащитные покрытия для лопаток турбины авиационных ГТД: Обзор иностр. лит. за 1980 – 1985 гг. / Науч.-произв. об-ние «ВИАМ». М.: НПО «ВИАМ», 1990. 128 с.
34. Будиновский С. А., Чубаров Д. А., Матвеев П. В. Современные способы нанесения теплозащитных покрытий на лопатки газотурбинных двигателей (обзор) // Авиационные материалы и технологии. 2014. No. 5. P. 38 – 43. DOI: 10.18577/2071-9140-2014-0-s5-38-44
35. Мубояджян С. А., Будиновский С. А., Гаямов А. М., Матвеев П. В. Высокотемпературные жаростойкие покрытия и жаростойкие слои для теплозащитных покрытий // Авиационные материалы и технологии. 2013. Т. 1, № 26. С. 17 – 20.
36. Meier S. M., Gupta D. K. The evolution of thermal barrier coatings in gas turbine engine applications // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 1994. V. 116, No. 1. Р. 250 – 257. DOI: 10.1115/1.2906801
37. Ostadi A., Hosseini S. H., Fordoei M. E. The effect of temperature and roughness of the substrate surface on the microstructure and adhesion strength of EB-PVD ZrO2-% 8wt Y2O3 coating // Ceramics International. 2020. V. 46, No. 2. Р. 2287 – 2293. DOI: 10.1016/j.ceramint.2019.09.217
38. Иванов А. И. Плазменное напыление покрытий; науч. рук. В. А. Вейник // Литье и металлургия. 2018 [Электронный ресурс]: сб. науч. работ I Междунар. науч.-практ. конф. студентов и магистрантов, 15–16 ноября 2018 года / Белорусский национальный технический университет, Механико-технологический факультет; ред. А. П. Бежок. Минск: БНТУ, 2018.С. 35–36.
39. Jiang K., Liu S., Wang X. Phase stability and thermal conductivity of nanostructured tetragonal yttria-stabilized zirconia thermal barrier coatings deposited by air–plasma spraying // Ceramics International. 2017. V. 43, No. 15. P. 12633 – 12640. DOI: 10.1016/j.ceramint.2017.06.142
40. Тырышкин П. А., Тамбовцев А. С., Кузьмин В. И., Гуляев И. П. Влияние режима плазменного напыления на микроструктуру и фазовый состав покрытий из материала m-ZrO2/Y2O3 // Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии: тезисы докл. XVI Всерос. школы-конференции молодых ученых, Новосибирск, 14 – 17 марта 2022 г. Новосибирск: Изд-во «Параллель», 2022. С. 140–141.
41. Yushkov Y. G., Oks E. M., Tyunkov A. V., et al. Deposition of boron-containing coatings by electron-beam evaporation of boron-containing targets // Ceramics International. 2020. V. 46, No. 4. P. 4519 – 4525. DOI: 10.1016/j.ceramint.2019.10.179
42. Tyunkov A. V., Zolotukhin D. B., Yushkov Y. G., Yakovlev E. V. Local ion-plasma etching of dielectrics initiated and controlled by the electron beam in fore-vacuum pressure range // Vacuum. 2020. V. 180. P. 109573. DOI: 10.1016/j.vacuum.2020.109573
43. Burdovitsin V. A., Golosov D. A., Oks E. M., et al. Electron beam nitriding of titanium in medium vacuum // Surface and Coatings Technology. 2019. V. 358. Р. 726 – 731. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2018.11.081
44. Бурдовицин В. А., Гулькина В. С., Медовник А. В., Окс Е. М. Компенсация заряда изолированной мишени при облучении импульсным электронным пучком в форвакуумной области давлений // Журнал технической физики. 2013. Т. 83, № 12. С. 134 – 136.
45. Yushkov Y. G., Andronov A. A., Nazarov A. Y., et al. Electron-beam synthesis of zirconia ceramic coatings in the forevacuum pressure range // High Temperature Material Processes. 2024. V. 28, No. 3. P. 65 – 75. DOI: 10.1615/HighTempMatProc.2024052907
46. Качанов Е. Б., Тамарин Ю. А. Технология, структура, свойства теплозащитных покрытий рабочих лопаток турбин // Технология легких сплавов. 2010. № 2. С. 16 – 28.
47. Thakare J. G., Pandey C., Mahapatra M. M., et al. Thermal barrier coatings – a state of the art review // Met. Mater. 2021. V. 27. P. 1947 – 1968.
Статью можно приобрести
в электронном виде!
PDF формат
700 руб
DOI: 10.14489/glc.2025.12.pp.043-056
Тип статьи:
Обзорная статья
Оформить заявку
