Fázová přeměna, vznik a hojení mikrotrhlin v keramice Nb2O5 pro energetické a katalytické aplikace

Oxid niobičný (Nb2O5) je strategicky významný funkční materiál. Uplatňuje se jako elektrodový materiál rychlonabíjecích lithiových baterií a superkondenzátorů, neboť se do jeho krystalové struktury ionty lithia ukládají mimořádně rychle a vratně. V katalýze se kyselina niobová v kombinaci s Nb2O5 uplatňuje jako pevná kyselina a nosič katalyticky aktivních látek. Nad teplotou přibližně 900–1000 °C se nízkoteplotní ortorombická modifikace Nb2O5 nevratně přeměňuje na monoklinickou, jejíž výrazně anizotropní tepelná roztažnost vyvolává při chladnutí vnitřní napětí a vznik mikrotrhlin. Ty se při opětovném ohřevu uzavírají, což se projevuje výraznou teplotní hysterezí vlastností materiálu. O tom, zda mikrotrhliny vůbec vzniknou, rozhoduje velikost zrn – pod kritickou velikostí zrn napětí relaxuje bez porušení materiálu. Tento velikostní efekt a jeho souvislost s fázovou přeměnou nebyly u Nb2O5 dosud systematicky popsány. Vysokoteplotní impulzní excitace umožňuje sledovat Youngův modul in situ během ohřevu a chladnutí a s vysokou citlivostí tak zachytit fázovou přeměnu i vznik a hojení mikrotrhlin. Cílem práce je prozkoumat vliv fázového složení výchozího prášku a velikosti zrn keramiky na fázovou přeměnu a elastické chování Nb2O5 za vysokých teplot a stanovit kritickou velikost zrn pro vznik mikrotrhlin.

Práce zahrnuje přípravu keramiky z ortorombického a monoklinického Nb2O5 a jejich směsí. Prášky Nb2O5 budou nejprve mlety tak, aby bylo dosaženo srovnatelné velikosti primárních částic u obou modifikací, a velikost zrn keramiky bude řízena teplotou slinování. Prášky budou charakterizovány laserovou a rentgenovou difrakcí, u slinutých vzorků bude stanoveno fázové složení, objemová hmotnost Archimedovou metodou a velikost zrn obrazovou analýzou snímků ze skenovací elektronové mikroskopie. Jádrem práce bude měření teplotní závislosti Youngova modulu vysokoteplotní impulzní excitací během opakovaných cyklů ohřevu a chladnutí. Výsledky práce budou využity jako podklad pro budoucí projektové žádosti.