Quantum mechanical calculations of elastic properties of doped tetragonal yttria-stabilized zirconium dioxide

• Autorzy: Natanzon Y. , Łodziana Z.

Warianty tytułu

PL

Kwantowo-mechaniczne obliczenia własności elastycznych fazy tetragonalnej dwutlenku cyrkonu stabilizowanego tlenkiem itru

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

We report first principles calculations of the electronic and elastic properties of yttria-stabilized tetragonal zirconium dioxide doped with metal oxides like: GeO2, TiO2, SiO2, MgO and Al2O3. It is shown that addition of such dopants affects selected elastic properties of ZrO2, which is driven by the attraction of electron density by dopant atom and creation of stronger dopant-oxygen bonds. This effect contributes to the increase of superplasticity of doped material.

PL

W pracy przedstawione są wyniki kwantowo-mechanicznych obliczeń własności elektronowych i elastycznych fazy tetragonalnej dwutlenku cyrkonu stabilizowanego tlenkiem itru z domieszkami tlenków metali, takich jak GeO2, TiO2, SiO2, MgO oraz Al2O3. Pokazano, że domieszkowanie wpływa na wybrane stałe elastyczne ZrO2, co jest spowodowane zmianami rozkładu gęstości elektronowej w pobliżu atomu domieszki oraz kreacją silniejszego wiązania domieszka-tlen. Ten efekt wnosi wkład do zwiększenia nadplastyczności domieszkowanego materiału.

Słowa kluczowe

EN

Y-stabilized zirconia; net charge; ab initio calculations

PL

dwutlenek cyrkonu; nadplastyczność; ładunek atomowy; obliczenia ab initio

• Wydawca: Wydawnictwa AGH
• Czasopismo: Computer Science
• Rocznik: 2008
• Tom: Vol. 9
• Strony: 87--96
• Opis fizyczny: Bibliogr. 24 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Natanzon Y.

• Henryk Niewodniczański Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Science, Krakow, Poland

autor

Łodziana Z.

• Henryk Niewodniczański Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Science, Krakow, Poland

Bibliografia

• [1] Singhal S. C.: Advances in solid oxide fuel cell technology. Solid State Ionics 135, 305 (2000)
• [2] Zhou N., Liu J., Lin B.: Refractory raw materials in China. American Ceramic Society Bulletin 84, 20 (2005)
• [3] Schwartz M. M.: Encyclopedia of Materials, Parts, and Finishes. CRC Press (2002), p. 888
• [4] Jimenez-Melendo M., Dominiguez-Rodriguez A., Bravo-Lełn A.: Superplastic Flow of Fine-Grained Yttria-Stabilized Zirconia Polycrystals: Constitutive Equa-tion and Defromation Mechanisms. J. Am. Gem. Soc. 81, 2761 (1998)
• [5] Kuwabara A., Nakano M., Yoshida H., Ikuhara Yu., Sakuma T.: Superplastic flow stress and electronic structure in yttria-stabilized tetragonal zirconia polycrystals doped with GeO2 and TiO2. Acta Materialia 52, 5563 (2004)
• [6] Hiraga K.: Development of High-Strain-Rate superplastic Oxide Ceramics. Journal of the Ceramic Society of Japan 115, 395 (2007)
• [7] Yoshida H.: Doping dependence of High Temperaturę Plastic Flow Behaviour in TiO-2 and GeO2-doped Tetragonal ZrO-z Polycrystals. Journal of the Ceramic Society of Japan 114, 155 (2006)
• [8] Sakka Y., Suzuki T. S., Matsumoto T., Morita K., Hiraga K., Moriyoshi Y.: Effect of titania and magnesia addition to 3 mol% yttria doped tetragonal zirconia on some diffusion related phenomena. Solid State Ionics 172, 499 (2004)
• [9] Berbon M. Z., Langdon T. G.: An exarnination of the flow process in superplastic yttria-stabilized tetragonal zirconia. Acta Materialia 47, 2485 (1999)
• [10] Eichler A.: Tetragonal Y-doped zirconia: Structure and ion conductivity. Phys. Rev. B 64, 174103 (2001)
• [11] McComb D. W.: Bonding and electronic structure in zirconia pseudopolymorphs investigated by electron energy-loss spectroscopy. Phys. Rev. B 54, 7094 (1996)
• [12] Bogicevic A., Wolverton C., Crosbie G. M., Stechel E. B.: Defect ordering in avio-yalently doped cubic zirconia from first principles. Phys. Rev. B 64, 014106 (2001)
• [13] Kohn W., Sham L. J.: Self-consistent Equations Including Exchange and Corre-lation Effects. Phys. Rev. 140, 1133 (1965)
• [14] Perdew J. P., Chevary J. A., Vosko S. H., Jackson K. A., Pederson M. R., Singh D. J., Fiolhais C.: Atoms, molecules, solids, and surfaces: Applications of the generalized gradient approximation for exchange and correlation. Phys. R,ev. B. 46, 6671 (1992).
• [15] Soler J., Artacho E., Gale J. D., Garcia A., Junquera J., Ordejón P., Sanchez-Portal D.: The SIESTA method for ab initio order-N materials simulation. J. Phys.: Condens. Matter 14, 2745 (2002)
• [16] Ordejón P., Sanchez-Portal D., Garcia A., Artacho E., Junąuera J., Soler J.: Large scalę DFT calculations with SIESTA. RIKEN Review 29, 42 (2000)
• [17] Artacho E., Gale J. D., Garcia A., Junquera J., Martin R. M., Ordejón P., Sanchez-Portal D., Soler J.: SIESTA 2.0. User's Guide. Available from http://www.uam.es/siesta
• [18] Murnaghan F. D.: The Compressibility of Media under Extreme Pressures. Pro-ceedings of National Academy of Sciences 30, 244 (1944)
• [19] Howard C. J., Hill R. J., Reichert B. E.: Structures of ZrO-2 polymorphs at room temperature by high-resolution neutron powder diffraction. Acta Crystallogr. B: Struct. Sci. 44, 116 (1988)
• [20] Teufer G.: The crystal structure of tetragonal Zr02. Acta Cryst. 15, 1187 (1962)
• [21] Gómez-Garcia D., Martinez-Fernandez D., Dominguez-Rodriguez A., Castaing J.: Mechanisms of High-Temperature Creep of Fully Stabilized Zirconia Single Crystals as a Function of the Yttria Content. J. Am. Ceram. Soc. 80, 1668 (1997)
• [22] See e.g. Numerical Recipes: The art of scientific computing. - Press et al, (Eds.), Cambridge University Press, New York, 1990
• [23] Troullier N., Martins J. L.: Efficient pseudopotentials for plane-wave calculations. Phys. Rev. B 43, 1993 (1991)
• [24] Perdew J. L., Burke K., Ernzerhof M.: Generalized Gradient Approximation Made Simple. Phys. Rev. Lett. 77, 3865 (1996)