Это открывает перспективы для создания нового поколения функциональных керамических материалов, способных эффективно работать в ядерных реакторах, высокоэнергетических установках будущего и в условиях космоса.
Ученые Сибирского федерального университета вместе с коллегами из Казахстана 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. Как оказалось, управляемым ионным воздействием можно не только моделировать радиационные повреждения, но и «обучать» материал выносливости.
Как отмечают в СФУ, керамика из диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, отличается прочностью, жаростойкостью и устойчивостью к агрессивным средам. Но под действием радиации ее структура со временем меняется. Чтобы понять, что происходит на атомном уровне, исследователи подвергли образцы материала облучению тяжелыми ионами с разной интенсивностью, моделируя условия, близкие к тем, которые складываются внутри реакторов.
Оказалось, что под воздействием ионов в кристаллической решетке материала образуются микродефекты ‒ так называемые вакансии и смещения атомов. Но при умеренном уровне облучения они придают материалу дополнительную прочность: твердость отдельных участков микроструктуры материала возрастает почти вдвое.
Напротив, при слишком больших дозах керамическая структура начинает разрушаться ‒ теряет прочность и приобретает признаки аморфного состояния. Однако при этом меняется ее внутренняя архитектура, что позволяет ей лучше выдерживать радиационные нагрузки.
По словам ученых, 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.