Учёные из Казахстана и России «обучили» промышленную керамику выносливости
14 октября 2025 г. | наука
Учёные изучили, как мощное облучение ионами криптона влияет на структуру и свойства керамики из диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия — материала, который сегодня широко применяют в ядерных реакторах, газотурбинных двигателях и космической технике.
Выяснилось, что управляемым ионным воздействием можно не только моделировать радиационные повреждения, но и использовать его как инструмент «обучения» материала выносливости. В перспективе это поможет создать новое поколения функциональных керамических материалов, способных эффективно работать там, где другие теряют прочность — в ядерных реакторах, космосе и высокоэнергетических установках будущего.
Керамика из диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, известна своей прочностью, жаростойкостью и устойчивостью к агрессивным средам, но под действием радиации её структура со временем изменяется. Чтобы понять, что происходит на атомном уровне, образцы подвергли облучению тяжёлыми ионами с разной интенсивностью, моделируя условия, близкие к тем, в которых работают материалы внутри реакторов. В ходе эксперимента образцы облучались ионами с различной плотностью потока — от 10¹¹ до 10¹⁴ ион/см², что соответствует возрастанию дозы радиации от слабой до экстремальной.
Оказалось, что под воздействием ионов в кристаллической решётке образуются микродефекты — так называемые вакансии и смещения атомов. При умеренном уровне облучения они даже придают материалу дополнительную прочность: такой параметр как микротвёрдость (твёрдость отдельных участков микроструктуры материала) возрастает почти вдвое. Однако при слишком больших дозах структура начинает разрушаться, а упорядоченность атомов нарушается — керамика частично теряет прочность и приобретает признаки аморфного состояния. Однако в это же время меняется её внутренняя архитектура: первоначально преобладавшая моноклинная фаза диоксида циркония постепенно превращается в более симметричные и устойчивые тетрагональную и кубическую формы, которые лучше выдерживают радиационные нагрузки.
«Мы увидели, как одновременно с изменениями прочности наблюдались фазовые превращения. Первоначально материал содержал в основном моноклинную фазу ZrO₂, которая менее устойчива к радиационным воздействиям. Но она постепенно превращалась в тетрагональную и кубическую фазы — более симметричные и устойчивые формы оксида циркония. Получается, что при максимальном облучении появлялись признаки частичной аморфизации — потери дальнего порядка в кристаллической решётке. Это означает, что ионное облучение не только разрушало, но и буквально «перестраивало» материал, способствуя формированию более стабильных структур», — рассказал российский соавтор исследования, заведующий кафедрой ЮНЕСКО «Новые материалы и технологии», доцент кафедры физики твёрдого тела и нанотехнологий Сибирского федерального университета Игорь Карпов.
По словам учёных, результаты работы помогают понять, как можно создавать материалы, способные выдерживать экстремальные условия — например, оболочки тепловыделяющих элементов в реакторах нового поколения, защитные покрытия для двигателей или элементы космических аппаратов. Ключом к получению этих материалов может стать управляемое формирование дефектов и фазовых переходов в диоксиде циркония.
«В условиях сильного радиационного излучения даже самые стойкие материалы подвергаются изменениям на атомном уровне. Поэтому решили смоделировать воздействие радиации в контролируемых лабораторных условиях — с помощью пучка ионов криптона, ускоренных до энергии порядка сотен мегавольт. Это позволило «ускорить» процессы, которые в реальных установках протекают годами, и проследить, как постепенно разрушается или перестраивается кристаллическая решётка керамики», — добавил Игорь Карпов.
По мнению эксперта, понимание того, как именно формируются и развиваются радиационные дефекты, позволяет целенаправленно управлять структурой керамики, добиваясь оптимального сочетания прочности и устойчивости. Такие данные крайне важны для создания новых материалов для ядерной энергетики — например, оболочек тепловыделяющих элементов, которые должны сохранять форму и герметичность даже при аварийных перегрузках, а также теплозащитных и барьерных покрытий, способных выдерживать потоки нейтронов и ионов.
В условиях же высокой радиации и температурных колебаний в космосе материалы на основе стабилизированного диоксида циркония могут стать надёжной защитой для двигательных систем и датчиков.
«По сути, правильно подобранная доза ионного воздействия превращает дефекты из разрушительного фактора в механизм самостабилизации материала», — подвёл итог Игорь Карпов.
Первыми рассказали ТАСС
