Vaporization processes and thermodynamic properties of ceramics based on the Gd2O3-Y2O3-HfO2 system

Abstract

Изучены процессы испарения и термодинамические свойства керамики на основе системы Gd2O3-Y2O3-HfO2, включая систему Gd2O3-Y2O3, методом высокотемпературной масс-спектрометрии. Система Gd2O3-Y2O3-HfO2 перспективна для разработки широкого спектра материалов высшей огнеупорности. Актуальность данного исследования в значительной степени продиктована возможным избирательным испарением компонентов рассматриваемой системы, приводящим к изменению физико-химических свойств материалов на её основе при их синтезе и эксплуатации в условиях высоких температур. Установлено, что при температуре 2500 К основными молекулярными формами пара над образцами системы Gd2O3-Y2O3-HfO2 являются GdO, YO и O. Найдены активности Gd2O3 и Y2O3 в образцах системы Gd2O3-Y2O3-HfO2, а также скорости испарения изученных образцов на основе парциальных давлений идентифицированных молекулярных форм пара. Проведено определение активностей HfO2, энергий Гиббса смешения и избыточных энергий Гиббса при температуре 2500 К. В указанной системе наблюдались отрицательные отклонения от идеального поведения. Выполнена аппроксимация концентрационной зависимости избыточных энергий Гиббса в системе Gd2O3-Y2O3-HfO2 по методу Редлиха-Кистера. На основе термодинамических свойств бинарной системы Gd2O3-Y2O3, таких как активности компонентов и избыточные энергии Гиббса, найденных при температуре 2630 К методом высокотемпературной масс-спектрометрии, был сделан вывод о наличии отрицательных отклонений от идеальности. Проиллюстрирована возможность термодинамического описания системы Gd2O3-Y2O3 в рамках модели субрегулярных растворов.

The vaporization processes and thermodynamic properties of ceramics based on the Gd2O3-Y2O3-HfO2 system, including the Gd2O3-Y2O3 system, were studied using the high-temperature mass spectrometric method. The Gd2O3-Y2O3-HfO2 system is promising for production of a great deal of highly refractory materials. The urgency of the present study is related to the possible selective vaporization of the components in the system under consideration leading to alterations in physicochemical properties of the materials based on this system during their synthesis or application at high temperatures. It was found that at the temperature 2500 K the main vapor species over the samples in the Gd2O3-Y2O3-HfO2 system are GdO, YO and O. The Gd2O3 and Y2O3 activities in the samples in the Gd2O3-Y2O3-HfO2 system as well as their vaporization rates were derived from the partial pressures of the vapor species identified. The determination of the HfO2 activities, the Gibbs energies of mixing and excess Gibbs energies in this system was carried out at the temperature 2500 K. Negative deviations from ideal behavior were observed in the system under consideration. The concentration dependence of the excess Gibbs energies in the Gd2O3-Y2O3-HfO2 system was approximated with the Redlich-Kister method. The conclusion on the negative deviations from ideality in the Gd2O3-Y2O3 system was made based on the thermodynamic properties in the Gd2O3-Y2O3 system, such as the component activities and the excess Gibbs energies, found by the high temperature mass spectrometric method at the temperature 2630 K. The possibility of the thermodynamic description of the Gd2O3-Y2O3 system in terms of the sub-regular solution model was illustrated.