超临界水热合成纳米氧化锆结构调控和晶型稳定机理研究

姜观宇; 刘璐; 王树众; 邓雪涛; 杨健乔

西安交通大学学报 ›› 2026, Vol. 60 ›› Issue (2) : 71 -81.

姜观宇, 刘璐, 王树众, 邓雪涛, 杨健乔

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摘要

为了探究纳米氧化锆掺杂剂分布均匀性和长效晶型稳定性，基于超临界水热合成技术，结合多尺度表征与密度泛函理论计算，从原子尺度揭示了Ce/Y掺杂纳米氧化锆晶型及结构热力学的稳定性机理。通过X射线衍射、拉曼光谱和X射线光电子能谱分析了纳米氧化锆颗粒的物相组成、晶型种类和元素化学态；系统研究了不同掺杂离子种类(Y和Ce)和不同掺杂浓度(摩尔分数分别为3%、6%、9%和12%)对合成态纳米氧化锆晶体演化的影响规律；同步解析了其电子结构重构、氧空位形成能及缺陷协同作用机制；建立了掺杂浓度-晶型稳定性-缺陷演变的定量构效关系。研究结果表明：随着掺杂浓度的增加，纳米氧化锆的单斜相、四方相和立方相缺陷形成能降低，导致纳米氧化锆结构易发生转变；Y掺杂纳米氧化锆由四方相转变为立方相的临界摩尔分数为8.26%,Ce掺杂纳米氧化锆结构转变的临界摩尔分数为9%;在温度为400℃和压力为25 MPa的实验条件下，掺杂摩尔分数为6%的Y/Ce可获得完全稳定的纳米氧化锆四方相。该结果为进一步开发高性能纳米氧化锆基复合材料提供理论依据。