Μελέτη διάχυσης οξυγόνου σε μονοκρυσταλλικό πυριτικό ύττριο

Abstract

Τα σύνθετα υλικά C/C-SiC χρησιμοποιούνται ήδη από το 1970 σαν μέσα θερμικής προστασίας για τα διαστημικά οχήματα, αλλά έχουν εφαρμογή και οπουδήποτε αλλού απαιτούνται υψηλές μηχανικές αντοχές και χαμηλή θερμική αγωγιμότητα. Η μικρή τους αντίσταση απέναντι στην οξείδωση σε υψηλές θερμοκρασίες δημιούργησε την ανάγκη για την ανάπτυξη υλικών επικαλύψεων τα οποία θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν ως φραγμοί οξυγόνου. Το πυριτικό ύττριο (YSi) έχει προταθεί ως ένα από τα καλύτερα υλικά γι’ αυτόν τον σκοπό. Για να διερευνηθεί κατά πόσον το YSi αποτελεί πράγματι αποτελεσματικό φραγμό, πρέπει να μελετηθούν οι κινητικές παράμετροι της διάχυσης του οξυγόνου μέσα σε αυτό το υλικό. Στην παρούσα εργασία διενεργήθηκαν πειράματα διάχυσης με οξυγόνο 18 ως ιχνηθέτη, σε ένα εύρος θερμοκρασιών μεταξύ 1000 και 1300 °C. Η μέθοδος της φασματομετρίας μαζών δευτερογενών ιόντων ήταν αυτή που χρησιμοποιήθηκε για να προσδιορισθούν οι συντελεστές διάχυσης D* και οι συντελεστές της επιφανειακής ανταλλαγής του οξυγόνου k* σε μη ντοπαρισμένα, αλλά και ντοπαρισμένα με 0.3% Pr (πρασεοδύμιο) δοκίμια μονοκρυσταλλικού YSi. Εκτός των άλλων, υπολογίστηκαν και οι ενέργειες ενεργοποίησης Ea(D*) και Ea(k*). Διαπιστώθηκε ότι η κυρίαρχη κινητική παράμετρος είναι η διάχυση του οξυγόνου μέσα στον όγκο του υλικού, αφού η αντίδραση επιφανειακής ανταλλαγής λαμβάνει χώρα ταχύτατα. Οι συντελεστές διάχυσης που υπολογίστηκαν είναι χαμηλοί, αλλά παραμένουν μερικές τάξεις μεγέθους υψηλότεροι από τους αντίστοιχους σε μονοκρυσταλλικό μουλίτη. Επομένως το πυριτικό ύττριο μπορεί μεν να χρησιμοποιηθεί ως προστατευτικό μέσο, δεν είναι δε τόσο αποτελεσματικό όσο ο μουλίτης. Δεν βρέθηκαν στοιχεία που να δείχνουν ότι το ντοπάρισμα επηρεάζει σε κάποιον βαθμό την διάχυση του οξυγόνου, υπήρξαν όμως ενδείξεις ότι πρόκειται για μια ανισοτροπική διαδικασία, όπως είχε προταθεί σε προηγούμενες θεωρητικές μελέτες. Τα αποτελέσματα της συγκεκριμένης εργασίας έρχονται να συμπληρώσουν προηγούμενες ερευνητικές εργασίες που αφορούσαν το YSi και τον μουλίτη και διερευνούσαν τη δυνατότητα χρήσης αυτών σαν μέσα προστασίας από την οξείδωση.

C/C-SiC composites have been used since 1970 as thermal barriers on space shuttles and also in other areas where good mechanical properties and low thermal conductivity are needed. Low resistance against oxidation at high temperatures of these materials created the need to develop coatings that could be used as oxygen protective layers. Yttrium silicate (YSi) has been proposed as an excellent candidate for this purpose. In order to investigate whether YSi is a sufficient barrier against oxygen, the kinetic parameters of oxygen diffusion in this material should be determined. In the presented study, oxygen 18 tracer diffusion experiments have been conducted in the range between 1000 and 1300ºC. Secondary ion mass spectrometry (SIMS) was used to determine tracer diffusivities D* and oxygen incorporation rates k*, in undoped and in 0.3% praseodymium doped yttrium silicate. Activation enthalpies Ea(D*) and Ea(k*) were also determined. It has been proved that the determinant transport parameter for the oxygen tracer diffusion in yttrium silicate is oxygen diffusivity in the bulk. This has been proved to be low, but still higher than in mullite single crystals. Yttrium silicate can be used effectively as an oxygen diffusion barrier, but is not as effective as mullite. No evidence has been found that doping by praseodymium affects by any means the kinetic parameters. There is an indication of anisotropic diffusion behavior, as suggested in previous works, based on first-principles calculations. The results of this work are supplementary to previous works on yttrium silicate and mullite.