ВЛИЯНИЕ ТЕРМОБАРИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА КЕРАМИКИ
ИЗ НАНОСТРУКТУРНЫХ ПОРОШКОВ ТУГОПЛАВКИХ ОКСИДОВ
ВИТЯЗЬ П.А.1, УЛЬЯНОВА Т.М.2, ШЕВЧЕНОК А.А.3,
ЛУЧЕНОК А.Р.3, ТИТОВА Л.В.2, МЕДИЧЕНКО С.В.2
1Президиум НАН Беларуси, г. Минск, Беларусь
2 Институт общей и неорганической химии НАН Беларуси, г.Минск, Беларусь, тел.: (+375 17) 284-17-37, e-mail: ulya@igic.bas-net.by
3 Институт порошковой металлургии, г. Минск, Беларусь,
тел.: (+375 17) 293-98-01, e-mail: alexshev@tut.by
В связи с развитием нанотехнологий в последние годы ин-тенсивно исследуются наноматериалы на основе диоксида цир-кония. Создание материалов на основе ZrO2 c важными эксплуа-тационными характеристиками основано на легировании диок-сида циркония оксидами щелочноземельных или редкоземель-ных металлов, что позволяет при относительно низких темпера-турах получать высокотемпературные формы: тетрагональную или кубическую ZrO2. Соединения на его основе используют для получения как конструкционных (лопатки турбин, режущий ин-струмент), так и функциональных материалов (твердотельные источники тока, медицинские изделия, мишени для эмиттеров). Существенное значение в такой керамике и композитах имеет соотношение тетрагональной и моноклинной фаз диоксида цир-кония, которое может изменяться не только от количества вве-денной добавки, но и от температурного или барического воз-действия на материал. Эта информация необходима как при разработке оптимального режима процесса синтеза исходных порошков на основе диоксида циркония, так и при получении вы-сокотемпературной керамики. В связи с вышесказанным, уста-новление корреляции между термобарическим режимом получе-ния керамики из наноструктурных оксидных порошков и ее струк-турой и свойствами является важной задачей.
В настоящей работе изложены результаты исследования влияния термобарического воздействия в процессе консолидации наноструктурных порошков оксидов алюминия и циркония на физико-механические свойства полученной композиционной керамики.
Эксперимент. Для получения образцов керамики были син-тезированы наноструктурные порошки частично стабилизиро-ванного диоксида циркония с 3 мол. % оксида иттрия (ЧСЦ), а также с добавками оксида алюминия следующих составов: 80% ЧСЦ + 20% Al2O3, 60% ЧСЦ + 40% Al2O3, 50% ЧСЦ + 50% Al2O3. Порошки получали по описанному ранее способу, они представ-ляли собой белые высокодисперсные вещества с агломератами микронного размера, состоящими из наночастиц, величина кото-рых изменялась в зависимости от состава и температуры синте-за порошков от 5-6 до 50 нм [1]. Структуру исходных порошков и спеченных керамических образцов изучали с помощью рентге-новского и электронно-микроскопического методов исследова-ния, используя дифрактометр ДРОН-2 и сканирующий электрон-ный микроскоп LEO – 1420 c программным обеспечением LEO - 32. Размер наночастиц порошков определяли методом ОКР. Удельная поверхность наноструктурных порошков определялась методом БЭТ (Брунауэра – Эммета – Теллера) по поглощению азота и паров бензола по ГОСТ 23401 и составляла порядка 50 - 120 м2/г, она уменьшалась до 20 – 30 м2/г с повышением температуры синтеза порошков тугоплавких оксидов до 11000С. Плотность, пористость и влагопоглощение керамики определяли методом гидростатического взвешивания по ГОСТ 24409. Испытание прочности при сжатии проводили в соответствии с ГОСТ 25.503-80 на универсальной испытательной машине "Instron 1195" с погрешностью измерения 1%.
Обсуждение результатов. Для решения поставленной за-дачи порошки частично стабилизированного диоксида циркония, а также с добавками оксида алюминия получали при температу-рах 900 и 11000С. Синтезированные порошки обладали доста-точно большой поверхностью и небольшим размером кристал-литов, то есть сохраняли свойства наноструктурных веществ. Вместе с тем при нагревании порошков диоксида циркония в об-ласти 1050 - 11000С происходит обратимый трансформационный переход тетрагональной и моноклинной фаз. В связи с чем, про-цессы спекания заготовок из порошков могут протекать с раз-личной скоростью, что приведет к изменению свойств образцов композиционных керамических материалов.
Для оценки барического влияния на структуру и физико-механические свойства керамики, заготовки из порошков фор-мовали двумя способами: статическим одноосным прессованием с общим усилием 4 т и импульсным прессованием с усилием порядка 4-4,5 ГПа в течение 5∙10-6 секунды. Заготовки из порошков с различной температурой синтеза были получены в форме цилиндров диаметром 10 мм и высотой 15-17 мм. Образцы, сформованные статическим прессованием, спекали по ступенчатому режиму до 15600С. Заготовки, спрессованные взрывом, были разделены на 2 партии, одни предварительно спекали при 15800С, а другие – не подвергали термообработке. Затем все спрессованные образцы спекали на воздухе при 16700С в течение 1 часа и исследовали их структуру и свойства.
Как показано ранее [2], кристаллическая структура сформо-ванных импульсным методом образцов была полуаморфной и частично деформированной. После термообработки кристалли-ческая структура оксидов металлов восстанавливалась и состо-яла из трех фаз: тетрагональной фазы диоксида циркония, α-корунда и небольшой примеси моноклинной фазы ZrO2 (рис.1).
Рис. 1. Рентгенограмма композиционной керамики состава 80% ЧСЦ+ 20%
a-Al2O3; а - α-Al2O3; Т – ZrO2 тетрагональный; М - ZrO2 моноклинный
На изломе керамический материал, сформованный статиче-ским методом, был гомогенным. Содержание тетрагональной и моноклинной фаз у композиционной керамики с различным со-отношением компонентов колебалось от 63 : 37% у образцов со-става 50% ЧСЦ + 50% Al2O3 до 72 : 28% у ЧСЦ и состава 20% ЧСЦ + 80% Al2O3. Выполненный расчет размеров кристаллитов оксидов металлов по методу определения области когерентного рассеяния (ОКР) у керамических образцов, отожженных при 15600С, показал, что он колебался от 30 до 35 нм у тетрагональ-ной фазы диоксида циркония, а у моноклинной - от 17 до 21 нм в зависимости от соотношения компонентов.
Определение плотности, пористости и влагопоглощения по-казало, что с повышением температуры синтеза порошков и температуры спекания заготовок плотность керамики возрастает (рис. 2), а режим повторного спекания при более высокой темпе-ратуре приводит к неоднозначным результатам.
Рис. 2. Зависимости плотности и пористости керамических образцов,
сформованных взрывом, отожженных при температурах: 1580+16700С -1
и при 16700С -2, от содержания оксида алюминия в порошках
Прочность при сжатии образцов композиционной керамики, полученной статическим прессованием, подчинялась общей закономерности: образцы из порошков, синтезированных при 11000С, были прочнее в 1,5 раза образцов из более активных порошков. Последнее связано с оставшимся воздухом и влагой, поглощенной поверхностью наночастиц тугоплавких оксидов. Поскольку активные частицы быстро спекаются и образуют на поверхности образца плотную корку, то поры не успевают мигрировать к поверхности и образуют замкнутую пористость в материале.
У керамических образцов, спрессованных импульсным мето-дом, прочность зависит не только от режима отжига, но и соста-ва. Так, например, у образцов ЧСЦ и состава 50 : 50 прочность при сжатии практически не зависит от повторного отжига при бо-лее высокой температуре, но заметно влияет на керамику соста-вов: 80 : 20 и 60 : 40, образцы которых при однократном отжиге обладают прочностью в 1,3-1,5 раз выше. Температура синтеза порошков влияет на прочностные характеристики керамики, сформованной импульсным прессованием, аналогично образ-цам, полученным статическим прессованием. Порошки, синтези-рованные при 11000С, обладают более высоким уровнем свойств (рис. 3).
Рис.3. Зависимости прочности при сжатии образцов композиционной керамики, сформованных взрывом, и отожженных при температурах: 1580+16700С – 1, 3 и при 16700С - 2, 4 от содержания оксида алюминия (1, 3 – керамика из порошков синтезированных при 900, 2, 4 – при 11000С)
Исследование структуры спеченных образцов показало, зна-чения прочности близки, если размер частиц и их микрострукту-ра аналогична. В тех случаях, когда величины прочности замет-но отличаются, форма частиц и микроструктура образцов не совпадают. Чем более консолидированы частицы в образце, тем выше значения прочности. Важную роль также играет наличие высокодис-персных частиц, заполняющих поровое пространство между спеченными блоками (рис.4).
а б
Рис.4. Микроструктура образцов керамики состава: 60% ЧСЦ + 40%Al2O3, сформованных методом статического прессования из порошков 900 –а и 11000С – б
и отожженных при 1560 и 16700С; σсж.образца а - 766, б - 1000 МПа
Таким образом, используя различные методы термобариче-ского воздействия при формовании и спекании заготовок из наноструктурных порошков тугоплавких оксидов с учетом осо-бенностей их пористой и кристаллической структуры, можно по-лучать высокоплотную композиционную керамику с повышенны-ми физико-механическими характеристиками.
Литература:
1. Ulyanova T.M., Vitiaz P.A., Krutko N.P., Titova L.V., Medichenko S.V., Shevchonok A.A. Nano-structured ZrO2(Y2O3) – Al2O3 fibrous powders for composite materials //The Proc. of EPMA 2010, Vol. 1, – pp. 423-429.
2. Ульянова Т.М., Шевченок А.А., Лученок А.Р., Медиченко С.В. Влияние прессования взрывом высокодисперсных порошков на структуру керамики ZrO2 (Y2O3)–Al2O3 /Тез. докл. 4 Межд. конф. МЕЕ-2006, Украина, С. 213.
Назад