WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

На правах рукописи

Жуков Илья Александрович

СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ПОРИСТЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ZrO2 - Al2O3, ПОЛУЧЕННЫХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГИДРОКСИДА АЛЮМИНИЯ

05.16.09 Материаловедение (машиностроение)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Томск – 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук и Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет»

Научный консультант:

доктор технических наук Буякова Светлана Петровна

Официальные оппоненты:

Прибытков Геннадий Андреевич доктор технических наук, доцент, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук, заведующий лабораторией физикохимии порошковых материалов Хабас Тамара Андреевна доктор технических наук, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», профессор кафедры технологии силикатов и наноматериалов

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Новосибирский государственный технический университет»

Защита состоится 27 декабря 2012 г. в 15 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 003.038.02 при ИФПМ СО РАН по адресу: 634055, г. Томск, проспект Академический, 2/4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФПМ СО РАН.

Автореферат разослан « » ноября 2012 г.

Учёный секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук, профессор В.И.Данилов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований. В мире современных материалов керамические композиты системы ZrO2 - Al2O3, благодаря высокой прочности, высокой вязкости разрушения, коррозионной стойкости, устойчивости к воздействию химически - агрессивных сред, стойкости к радиационным воздействиям, привлекают особое внимание в качестве материала для изготовления мембран, фильтров, носителей катализаторов, огнепреградителей. Термостойкость этих композитов значительно превосходит термостойкость каждого из компонентов в отдельности.

Эксплуатационные свойства мембран, фильтров, носителей катализаторов определяются объемом порового пространства, геометрией пор и их иерархией в структуре материала.

К настоящему времени разработано множество технологических подходов, обеспечивающих необходимый объём порового пространства в керамических материалах. С точки зрения эффективного управления объёмом порового пространства и геометрией пор в керамиках, наиболее предпочтительны методы, основанные на использовании органических порообразователей. Порообразователь, как правило, вводимый в виде частиц или вспененной массы в порошковую шихту, выгорает в процессе спекания материала, обеспечивая, таким образом, необходимую пористость.

Однако, несмотря на возможность эффективного управления морфологией пор и их количеством, метод органических порообразующих добавок имеет весьма существенный недостаток – присутствие в материале продуктов горения порообразователя – углерода и его соединений, что недопустимо для носителей катализаторов и фильтров. Избежать присутствия посторонних соединений в пористом материале позволяют методы, в которых необходимый объём порового пространства достигается разложением компонентов порошковой шихты до более простых соединений, сопровождающимся выделением газа. Одним из примеров такой реакции служит разложение гидроксидов до оксидов.

Хотя такой метод получения пористых материалов известен давно, в литературе встречаются лишь упоминания о нём, без анализа влияния технологических и физических свойств порошковой шихты в целом и её компонентов на структуру и свойства получаемых материалов. При этом структура и свойства керамик, как и всех материалов, получаемых по порошковой технологии, заключающейся в формовании порошков и последующей термообработке формованных заготовок, в значительной мере зависят от способа получения исходных порошков, их гранулометрического, фазового составов и кристаллического строения.

В соответствии с вышеизложенным целью данной работы явилось изучение влияния фазового состава и морфологии частиц порошков ZrO2 и гидроксида алюминия на структуру и свойства композиционных материалов ZrO2 - Al2O3.

В соответствии с целью диссертационной работы поставлены следующие задачи исследований:

1. Изучить морфологию и фазовый состав порошков диоксида циркония и гидроксида алюминия, отличающихся способом получения.

2. Получить образцы композиционных материалов ZrO2 - Al2O3 посредством прессования порошковых смесей ZrO2 - гидроксид алюминия и последующего спекания.

3. Изучить влияние состава порошковых смесей ZrO2 - гидроксид алюминия на уплотнение композиционных материалов ZrO2 - Al2O3 при спекании.

4. Изучить влияние состава порошковых смесей ZrO2 - гидроксид алюминия на фазовый состав, структуру и механические свойства композиционных материалов ZrO2 - Al2O3.

Научная новизна исследований В данной работе впервые прослежено влияние гранулометрического и фазового составов компонентов исходной порошковой смеси диоксида циркония и гидроксида алюминия на структуру и фазовый состав пористых композиционных материалов системы ZrO2 - Al2O3. Обнаружено, что для композитов ZrO2 - Al2O3 существуют области концентраций гидроксида алюминия в порошковой смеси с малой скоростью уплотнения.

Впервые показано, что в композитах ZrO2 - Al2O3 концентрация тетрагональной фазы определяет размер ее кристаллитов: при малых содержаниях – тетрагональномоноклинным превращением, а при больших – рекристаллизацией. Размер кристаллитов тетрагонального диоксида циркония определяет пористость спеченного материала: пористость тем меньше, чем меньше размер кристаллитов.

Показано, что пористость уменьшает величину критического размера зерна тетрагональной модификации диоксида циркония в композитах ZrO2 - Al2O3, при котором происходит её самопроизвольное превращение в моноклинную модификацию. Впервые обнаружено, что на содержание высокотемпературной тетрагональной модификации диоксида циркония в пористых композитах ZrO2 - Al2O3 оказывают влияние одновременно два фактора: присутствие оксида алюминия, сдерживающее рост зёрен ZrO2 и тем самым достижение критического размера, и пористость, способствующая уменьшению величины критического размера зерна тетрагональной модификации ZrO2, вследствие уменьшения числа межзёренных контактов.

Практическая значимость работы В работе прослежено влияние способа получения порошков диоксида циркония и гидроксида алюминия, их соотношения в порошковой смеси, температуры спекания на пористость в композитах ZrO2 - Al2O3. Показано, что увеличение температуры спекания композитов ZrO2 - Al2O3 от 1500 до 1600 оС из порошка диоксида циркония, полученного методом химического осаждения, не сопровождается увеличением плотности.

Прочность композиционных материалов ZrO2 - Al2O3 из порошка ZrO2, полученного плазмохимическим методом, выше прочности композитов из порошка ZrO2, полученного методом химического осаждения, и не зависит от вида гидроксида алюминия в исходной порошковой смеси. Для композитов ZrO2 - Al2O3 на основе порошка ZrO2, полученного методом химического осаждения, вид гидроксида алюминия определяет их прочность – для композитов из порошковой смеси диоксида циркония с гидратированным оксидом алюминия предел прочности выше, чем для композитов из порошковой смеси диоксида циркония с байеритом.

На основе полученных в рамках диссертационной работы результатов могут быть составлены технологические условия получения пористых композиционных материалов системы ZrO2 - Al2O3, в которых необходимый объём порового пространства достигается посредством выхода OH- групп при разложении гидроксида алюминия до оксида в процессе спекания.

Полученные результаты могут быть использованы на предприятиях, выпускающих керамические изделия технического назначения, в НИОКР и ОТР, направленных на разработку технологии получения пористых керамических материалов, в образовательном процессе высших образовательных учреждений в качестве научнометодических дополнений к лекциям и практическим занятиям по курсам «Мате риаловедение и технологии получения современных материалов», «Физическое материаловедение».

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Комплекс экспериментальных данных о фазовом составе, параметрах кристаллической структуры, микроструктуре и механических свойствах пористых композиционных материалов системы ZrO2 - Al2O3, получаемых с использованием гидроксида алюминия.

2. В спеченных композитах ZrO2 - Al2O3 концентрация тетрагональной фазы определяет размер ее кристаллитов: при малых содержаниях – тетрагональномоноклинным превращением, а при больших – рекристаллизацией.

3. Для композитов ZrO2 - Al2O3 из порошка диоксида циркония, полученного методом химического осаждения, существуют области концентраций Al2O3 с малой скоростью уплотнения, при этом размер кристаллитов тетрагонального диоксида циркония определяет пористость спеченного материала: пористость тем меньше, чем меньше размер кристаллитов.

Достоверность результатов обеспечивается комплексным подходом к решению поставленных задач, использованием апробированных методов и методик исследования, применением статистических методов обработки данных, непротиворечивостью полученных данных и результатов, приведённых в литературе.

Апробация работы. Основные результаты диссертации доложены на XI Российской научной студенческой конференции «Физика твердого тела» (г. Томск 13 – мая 2008 г.); V Всероссийской конференции молодых ученых «Физика и химия высокоэнергетических систем» (г. Томск, 22 – 25 апреля 2009 г.); VII Всероссийской научной конференции «Керамика и композиционные материалы» (г. Сыктывкар, 21 – 25 июня 2010 г.); V Международной научно-технической конференции «Современные проблемы машиностроения» (г. Томск, 23 – 26 ноября 2010 г.); VI Международной научно-технической конференции «Современные проблемы машиностроения» (г. Томск, 28 сентября –2 октября 2011 г.); Всероссийской молодёжной научной конференция «Химия и технология новых веществ и материалов» (г. Сыктывкар, 30 мая – 1 июня 2011 г.); Международной конференции по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов (г. Томск, 5 – сентября 2011 г.); VIII Международной научной школе-конференции «Фундаментальное и прикладное материаловедение» (г. Барнаул, 15 – 17 сентября 2011 г.); XIII Международной конференции «YUCOMAT» (г. Херцег Нови, 5 – 9 сентября 2011 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 работ, из них 2 статьи в рецензируемых журналах, 12 докладов и тезисов в материалах научных конференций различного уровня. Получено положительное решение о выдаче патента РФ «Способ получения пористого керамического материала». Заявка на патент РФ № 2010147109/03 (068069).

Личный вклад автора состоит в получении образцов композиционных материалов ZrO2 - Al2O3, проведении структурных, рентгеноструктурных и рентгенофазовых исследований, механических испытаний, сопоставлении полученных результатов с литературными данными, формулировании основных научных положений и выводов.

Структура и объём диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести разделов, заключения, списка литературы из 127 наименований.

Работа изложена на 149 страницах машинописного текста, в том числе 59 рисунков, 2 таблицы и 2 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследований в рамках диссертационной работы, приведены положения, выносимые на защиту, описаны структура и объём диссертации.

В первом разделе представлены результаты аналитических исследований литературных источников, касающихся керамических материалов на основе ZrO2 и Al2Oи композиций на их основе, а также методов получения пористых керамических материалов и их свойств.

Второй раздел посвящён постановке задачи исследования, обоснованию выбора материалов и методик исследований.

Третий раздел содержит результаты исследований морфологии, фазового состава, параметров кристаллической структуры и удельной поверхности порошков диоксида циркония, частично стабилизированного оксидом иттрия, полученных различными способами. Приведены данные о морфологии, фазовом составе, удельной поверхности и результаты термического анализа порошков гидроксида алюминия, полученных различными способами.

Порошок ZrO2(Y2O3), полученный плазмохимическим методом, состоял из обособленных сферических частиц и многочисленных агрегатов с рыхлой структурой, состоящих из частиц, не имеющих регулярной формы, рисунок 1. Средний размер частиц порошка составил 1.5 мкм. Удельная поверхность порошка имела величину 7 м2/г. Согласно данным рентгеноструктурного анализа, в порошке присутствовали тетрагональная и моноклинная фазы диоксида циркония. Преобладающей являлась тетрагональная фаза диоксида циркония, её доля в порошке была равна 90 %. Размер областей когерентного рассеяния рентгеновских лучей (ОКР) тетрагональной и моноклинной фаз составил 20 нм.

Рисунок 1 - РЭМ изображение порошка Рисунок 2 - РЭМ изображение порошка ZrO2(Y2O3), полученного ZrO2(Y2O3), полученного методом плазмохимическим методом химического осаждения Порошок ZrO2(Y2O3), полученный методом химического осаждения, состоял из плотных поликристаллических агломератов, рисунок 2. Средний размер агломератов – 12 мкм, средний размер составляющих агломераты частиц – 0.2 мкм. Удельная поверхность порошка – 7.6 м2/г. Рентгеноструктурный анализ показал наличие тетрагональной и моноклинной фаз диоксида циркония в порошке. Содержание фаз со ставило 65 и 35 % соответственно. Средний размер ОКР тетрагональной фазы – 20 нм, моноклинной фазы – 40 нм.

Порошок гидроксида алюминия, полученный гидролизом высокодисперсного порошка алюминия при температуре 80 оС, состоял из сферических агрегатов, сформированных отдельными частицами, рисунок 3. Средний размер агрегатов составил 15 мкм. Размер отдельных частиц, сформировавших агрегаты – 1.5 мкм. Удельная поверхность порошка имела величину 291 м2/г. Согласно данным рентгнофазового анализа, порошок находился в структурной модификации байерит – Al(OH)3. Средний размер ОКР байерита составил 30 нм.

Рисунок 3 - РЭМ изображение порошка Рисунок 4-РЭМ изображение порошка гидроксида алюминия, полученного гидроксида алюминия, полученного гидролизом порошка алюминия разложением алюминатного раствора Порошок гидроксида алюминия, полученный разложением алюминатного раствора, состоял из изолированных поликристаллических частиц, рисунок 4. Средний размер частиц был равен 2.6 мкм. Удельная поверхность порошка - 173 м2/г. Порошок имел модификацию гидратированного оксида алюминия состава Al2O3*4H2O, при этом большая часть этого порошка находилась в аморфном состоянии.

Четвертый раздел содержит результаты исследований влияния соотношения компонентов в исходной шихте, температуры спекания образцов на фазовый состав и параметры тонкой кристаллической структуры пористых композиционных материалов ZrO2 - Al2O3. Приведены данные об изменении количества высокотемпературной тетрагональной модификации ZrO2 в зависимости от размера зерна и температуры спекания композитов. Представлены результаты исследований о влиянии размера ОКР тетрагональной модификации ZrO2 на объем порового пространства в композитах, а также данные о влиянии количества высокотемпературной тетрагональной модификации ZrO2 на размер ОКР тетрагональной фазы ZrO2 в композиционных материалов ZrO2 - Al2O3.

Согласно данным рентгенофазовых исследований, фазовый состав полученных композитов ZrO2 - Al2O3 был представлен тетрагональной и моноклинной модификациями ZrO2 и высокотемпературной модификацией - Al2O3. При этом имела место разница в соотношении долей высокотемпературной тетрагональной и низкотемпературной моноклинной модификаций диоксида циркония в зависимости от соотношения диоксида циркония и гидроксида алюминия в порошковой шихте и температуры спекания композитов.

Одним из факторов, оказавшим влияние на соотношение количества тетрагональной и моноклинной модификации диоксида циркония в композитах ZrO2 - Al2O3, явилось достижение отдельными зернами тетрагональной фазы диоксида циркония «критического» размера, при ко40 тором происходит самопроизвольное тетрагонально-моноклинное превращение.

На рисунке 5 приведена зависимость содержания тетрагональной фазы диоксида циркония от среднего размера зерна ZrO2 в композиционных материалах ZrO2 - Al2O3, на осно0 0.4 0.8 1.2 1.6 2 2.ве ZrO2(Y2O3), полученного методом зерна ZrO2, мкм химического осаждения. Из рисунка Рисунок 5 – Зависимость содержания тетравидно, что с увеличением среднего гональной фазы диоксида циркония от среднего размера зерна ZrO2 в композиционных размера зерна ZrO2 содержание тетраматериалах ZrO2 - Al2O3, на основе гональной фазы уменьшается. При ZrO2(Y2O3), полученного методом химического этом в композиционных материалах, осаждения где размер зерна диоксида циркония 1составлял от 0.7 до 1.9 мкм, количество тетрагональной фазы практически не изменялось и сохранялось на уровне около 20 %.

На рисунке 6 приведена зависимость содержания тетрагональной фазы диоксида циркония от среднего размера зерна ZrO2 в композиционных материалах ZrO2 - Al2O3 на основе ZrO2(Y2O3), полученного плазмохимическим методом. В композитах, где средний размер зерна имел значение от 0.6 до 0.мкм, количество тетрагональной 0 0.4 0.8 1.2 1.6 зерна ZrO, мкм фазы составляло от 40 % до 90 %.

Рисунок 6 - Зависимость содержания тетра- Это обстоятельство свидетельствует гональной фазы диоксида циркония от среднего от том, что с увеличением пористости размера зерна ZrO2 в композиционных в композиционных материалах ZrO2 - материалах ZrO2 - Al2O3, на основе ZrO2(Y2O3), полученного плазмохимическим Al2O3 величина «критического» разметодом мера зерна, при котором происходит самопроизвольное тетрагонально-моноклинное превращение, снижается. Пористость композитов, в которых наблюдалось меньшее содержание тетрагональной фазы, при одинаковом размере зерна составляла 20 – 45 %, по сравнению с композитами, где ко Содержание тертрагональной фазы ZrO, % Содержание тетрагональной фазы ZrO, % личество тетрагональной фазы со1ставляло около 90 %, пористость этих керамик составляла менее %.

Установлено, что при увеличении содержания тетрагональной фазы ZrO2 в композитах до 40 %, размер её ОКР уменьшался от до 30 нм и сохранялся на уровне около 30 нм при увеличении содержания тетрагональной фазы ZrO2 вплоть до 80 %. Дальнейшее увеличение тетрагональной фазы диоксида циркония в пористых 20 40 60 80 1Содержание Т-ZrO2, % композитах ZrO2 - Al2O3 сопровождалось увеличением размеров её Рисунок 7 - Зависимость размера ОКР ОКР, рисунок 7.

тетрагональной фазы ZrO2 от её содержания в композиционных материалах ZrO2 - Al2OТакое изменение размеров ОКР тетрагональной фазы диоксида циркония можно связать с двумя факторами. Первый - диффузионный рост кристаллитов и второй - выделение моноклинной фазы диоксида циркония, приводящее к «дроблению» кристаллитов тетрагональной фазы диоксида циркония.

На рисунке 8 представлена зависимость пористости от размеров ОКР тетрагональной фазы диоксида циркония в композиционных материалах ZrO2 - Al2O3. При экстрапо0 20 40 60 80 1ОКР Т-ZrO2, нм ляции аппроксимирующей функции на беспористое состояние в компоРисунок 8 - Зависимость пористости от размера зитах на основе ZrO2(Y2O3), полуОКР тетрагональной фазы диоксида циркония в композиционных материалах ZrO2 - Al2O3.

ченного плазмохимическим метоЗависимости соответствуют композитам дом, размер ОКР тетрагональной на основе ZrO2(Y2O3), полученного:

фазы ZrO2 составлял около 20 нм.

1 – методом химического осаждения;

2 – плазмохимическим методом При экстраполяции аппроксимирующей функции на беспористое состояние в композитах на основе ZrO2(Y2O3), полученного методом химического осаждения, размер ОКР тетрагональной фазы ZrO2 имел значение около 65 нм. Таким образом установлено, что размер кристаллитов тетрагональной фазы диоксида циркония определяет пористость спеченного материала, а концентрация тетрагональной фазы определяет размер ее кристаллитов: при малых содержаниях – тетрагонально-моноклинным превращением, а при больших – рекристаллизацией.

ОКР TZrO, нм Пористость, % Пятый раздел. В данном разделе диссертационной работы представлены результаты исследования пористой и зёренной структур композитов ZrO2 - Al2O3. Приведены данные об уплотнении композитов в процессе спекания, а также данные о прочности пористых композиционных материалов ZrO2 - Al2O3.

Установлено, что с увеличением объёмной доли гидроксида алюминия в исходной порошковой смеси относительная плотность композиционных материалах ZrO2 - Al2Oуменьшалась, при этом увеличение температуры спекания сопровождалось увеличением относительной плотности композитов, рисунки 9 и 10.

1 0.0.0.0.0.0.4 0.1400 1500 1600 1700 1400 1500 1600 17температура спекания, оС Температура спекания, оС Рисунок 9 - Зависимость относительной Рисунок 10 - Зависимость относительной плотности от температуры спекания плотности от температуры спекания композитов ZrO2 - Al2O3, полученных композитов ZrO2 - Al2O3, полученных из порошковых смесей ZrO2(Y2O3), из порошковых смесей ZrO2(Y2O3), синтезированного методом химического синтезированного плазмохимическим осаждения с Al2O3*4H2O. методом с Al(OH)3.

Зависимости соответствуют Зависимости соответствуют содержанию гидроксида алюминия содержанию гидроксида алюминия в исходной смеси: - (1 %); - (5 %); в исходной смеси: - (1 %); - (5 %);

- (10 %); - (25 %); - (50 %) - (10 %); - (25 %); - (50 %) Установлено, что увеличение температуры спекания композитов ZrO2 - Al2O3 от 15до 1600 оС из порошка диоксида циркония, полученного методом химического осаждения, не сопровождалось увеличением плотности, рисунок 9. Аппроксимация восходящих участков зависимостей относительной плотности от температуры спекания композитов на основе ZrO2(Y2O3), полученного методом химического осаждения, позволила определить скорость уплотнения композиционных материалов при спекании в интервале температур 1400 - 1500 оС и 1600 - 1650 оС. Подобным образом была определена скорость уплотнения композитов на основе ZrO2(Y2O3), полученного плазмохимическим методом. Установлено, что на зависимости скорости уплотнения от объемной доли гидроксида алюминия в интервале температур спекания 1400 - 1500 оС присутствует максимум при содержании гидроксида алюминия в порошковой смеси 25 %. Скорость уплотнения увеличивается при увеличении объемной доли гидроксида алюминия от 1 % до 25 % и уменьшается при увеличении объемной доли гидроксида алюминия от 25 % до 50 %.

отн.

отн.

Скорость уплотнения при спекании в интервале температур 1400 - 1650 оС композитов ZrO2 - Al2O3, на основе ZrO2(Y2O3), полученного плазмохимическим методом, возрастает с увеличением объемной доли гидроксида алюминия в исходной шихте от 1 % до 50 %, независимо от вида используемого гидроксида алюминия.

Анализ влияния объемной доли гидроксида алюминия в исходной шихте на средний размер пор композитов ZrO2 - Al2O3 показал, что зависимости имеют различный характер для композитов, полученных при разных температурах спекания. В композитах, спеченных при температуре 1400 оС, средний размер пор возрастал от 4 - 8 мкм до 10 - 18 мкм с увеличением объемной доли гидроксида алюминия в исходной порошковой смеси от 1 до 50%, рисунок 11. При этом установлено, что 0 10 20 30 40 Объемная доля гидроксида алюминия, % вид гидроксида алюминия, используемый в исходной порошковой Рисунок 11 Зависимость среднего размера пор смеси, практически не оказывал нив композитах ZrO2 - Al2O3, спеченных какого влияния на средний размер при 1400 оС, от объемной доли гидроксида пор композиционных материалов, алюминия в исходной смеси порошков.

полученных во всем исследуемом Композиты на основе ZrO2(Y2O3), полученного методом химического осаждения,в смеси с: интервале температур. Зависимости 1 - Al2O3*4H2O; 2 - Al(OH)3;

разделялись в соответствии с видом композиты на основе ZrO2(Y2O3), полученного используемого порошка диоксида плазмохимическим методом в смеси с:

циркония в исходной шихте. При 3 - Al2O3*4H2O; 4 - Al(OH)температуре спекания композиционных материалов 1500 оС средний размер пор оставался чувствительным к объемной доле гидроксида алюминия в исходной смеси только в композитах, синтезированных на основе порошка диоксида циркония, полученного методом химического осаждения, а в композитах на основе порошка диоксида циркония, полученного плазмохимическим методом, средний размер пор не изменялся с увеличением объемной доли гидроксида алюминия в исходной шихте, рисунок 12. Отсутствие изменения среднего размера пор в зависимости от объемной доли гидроксида алюминия так же наблюдалось для всех композиционных материалов, спеченных при температуре 1650 оС, размер пор в этих композитах составлял около 3 мкм, рисунок 13.

Выявлено, что средний размер зерна Al2O3 в композиционных материалах на основе Al2O3*4H2O увеличивался от 0.4 мкм до 1.4 мкм при увеличении температуры спекания от 1400 оС до 1650 оС. В композитах на основе Al(OH)3 средний размер зерна увеличивался от 0.4 мкм до 0.9 мкм. В композиционных материалах ZrO2 - Al2O3 на основе ZrO2(Y2O3), полученного методом химического осаждения, средний размер зерна ZrOувеличивался от 0.4 мкм до 1.8 мкм, при увеличении температуры спекания от 1400 оС до 1650 оС, а в композиционных материалах на основе диоксида циркония, полученного плазмохимическим методом, средний размер зерна увеличивался от 0.4 мкм до 1.2 мкм.

пор , мкм 20 0 0 10 20 30 40 50 0 10 20 30 40 Объемная доля гидроксида алюминия, % Объемная доля гидроксида алюминия, % Рисунок 12 - Зависимость среднего Рисунок 13 - Зависимость среднего размера пор в композитах ZrO2 - Al2O3, размера пор в композитах ZrO2 - Al2O3, спеченных при 1500 оС, от объемной спеченных при 1650 оС, от объемной доли гидроксида в исходной смеси доли гидроксида в исходной смеси порошков. Композиты на основе порошков. Композиты на основе ZrO2(Y2O3),полученного методом ZrO2(Y2O3), полученного методом химического осаждения, в смеси с: химического осаждения, в смеси с:

1 - Al2O3*4H2O; 2 - Al(OH)3; 1 - Al2O3*4H2O; 2 - Al(OH)3;

композиты на основе ZrO2(Y2O3), композиты на основе ZrO2(Y2O3), полученного плазмохимическим полученного плазмохимическим методом, в смеси с: 3 - Al2O3*4H2O; методом, в смеси с:3 - Al2O3*4H2O;

4 - Al(OH)3 4 - Al(OH)1200 4382410 20 40 0 20 40 Пористость, % Пористость, % Рисунок 15 - Зависимость предела Рисунок 14 - Зависимость предела прочности от пористости композитов прочности от пористости ZrO2 - Al2O3 на основе ZrO2(Y2O3), композитов ZrO2 - Al2O3 на основе полученного методом химического ZrO2(Y2O3), полученного осаждения. Зависимости плазмохимическим методом соответствуют используемому гидроксиду алюминия в исходной порошковой смеси:1 - Al2O3*4H2O, 2 - Al(OH) пор пор , мкм , мкм п п , МПа , МПа Наибольший предел прочности около 1100 МПа при пористости 7 % имели композиты на основе порошка диоксида циркония, полученного плазмохимическим методом, рисунок 14. В композитах на основе порошка диоксида циркония, полученного методом химического осаждения, наибольший предел прочности составил 350 МПа при пористости 20 %. Выявлено, что вид используемого гидроксида алюминия в исходной порошковой смеси не оказал влияния на прочность композиционных материалов ZrO2 - Al2O3 на основе порошка ZrO2(Y2O3), полученного плазмохимическим методом. Однако для композиционных материалов на основе порошка ZrO2(Y2O3), полученного методом химического осаждения, значения предела прочности были выше в тех композитах, в которых в исходной порошковой смеси использовался Al2O3*4H2O, рисунок 15. Таким образом, установлено, что прочность композиционных материалов ZrO2 - Al2O3 из порошка ZrO2, полученного методом химического осаждения, выше при использовании в порошковой смеси Al2O3*4H2O, чем при использовании Al(ОН)3.

В шестом разделе приведены сведения о возможности практического применения результатов, полученных в работе. Представлены данные элементного анализа поверхности разрушения пористых керамик ZrO2 - Al2O3, полученных с использованием гидроксида алюминия и ZrO2 - MgO, синтезированных с использованием органического порообразователя.

На рисунке 16 представлены РЭМ изображения и данные элементного анализа поверхности разрушения керамик. В верхней части рисунка приведено изображение поверхности разрушения пористой керамики ZrO2 - MgO, полученной с использованием органического порообразователя, пористость этой керамики составляла около Рисунок16 - РЭМ изображения поверхности разрушения керамики ZrO2 - MgO (верхняя часть рисунка) и керамики ZrO2 - Al2O3 (нижняя часть рисунка), а также данные элементного анализа 50 %. В нижней части рисунка представлено изображение поверхности разрушения керамики ZrO2 - Al2O3 на основе диоксида циркония, полученного методом химического осаждения, в смеси с Al2O3*4H2O, объемная доля которого составляла 50 %.

Пористость этих образцов керамики также составляла 50 %. Согласно данным элементного анализа, в керамике ZrO2 - MgO содержалось порядка 14 вес. % углерода, в то время как в керамике ZrO2 - Al2O3 углерод отсутствовал.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. Выявлено, что на содержание высокотемпературной тетрагональной модификации диоксида циркония в пористых композитах ZrO2 - Al2O3 оказывают влияние одновременно два фактора: присутствие оксида алюминия, сдерживающее рост зёрен ZrO2 и тем самым достижение критического размера, и пористость, способствующая уменьшению величины критического размера зерна тетрагональной модификации ZrO2 вследствие уменьшения числа межзёренных контактов. Показано, что критический размер зерна тетрагональной модификации ZrO2 при наличии пористости составляет 0,8 мкм в отличие от 1,2 мкм в беспористом ZrO2.

2. Обнаружено, что размер кристаллитов тетрагональной модификации диоксида циркония при её содержании менее 40 % определяется тетрагонально-моноклинным превращением, когда выделения моноклинной модификации в зерне тетрагональной модификации дробят её кристаллиты, а при содержании тетрагональной модификации диоксида циркония более 80 % размер кристаллитов определяется рекристаллизацией.

3. Показано, что температура спекания определяет средний размер пор в композитах, причем при малых температурах спекания увеличение содержания гидроксида алюминия приводит к значительному (более чем в 3 раза) росту среднего размера пор, а при повышении температуры их размер уже не зависит от содержания гидроксида алюминия. Установлено, что для композитов из плазмохимического диоксида циркония этот эффект проявляется при меньших температурах.

4. Показано, что прочность композиционных материалов ZrO2 - Al2O3 из порошка ZrO2, полученного плазмохимическим методом, выше прочности композитов из порошка ZrO2, полученного методом химического осаждения, и не зависит от вида гидроксида алюминия в исходной порошковой смеси. Для композитов ZrO2 - Al2Oна основе порошка ZrO2, полученного методом химического осаждения, вид гидроксида алюминия определяет их прочность - прочность композитов из порошковой смеси диоксида циркония с гидратированным оксидом алюминия выше прочности композитов из порошковой смеси диоксида циркония с байеритом.

5. Обнаружено, что размер кристаллитов тетрагональной фазы диоксида циркония определяет пористость спеченного материала: для композитов на основе порошка диоксида циркония, полученного плазмохимическим методом, беспористое состояние достигается при среднем размере кристаллитов тетрагональной модификации ZrO2 около 20 нм, а для композитов на основе порошка диоксида циркония, полученного методом химического осаждения, около 65 нм.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

В рецензируемых журналах 1. Жуков И.А. Структура и свойства оксид-гидроксидных материалов ZrO2 - Al2O3 / И.А. Жуков, С.П. Буякова, А.В. Козлова и др. // Изв. вузов. Физика. – 2010. – № 12/2. – С. 172 – 176.

2. Жуков И.А. Структура и свойства пористой керамики ZrO2 - Al2O3 / И.А. Жуков, С.П. Буякова, А.В. Козлова и др. // Изв. вузов. Физика. – 2011. – Т. 54. – № 9/2.

– С. 120 – 124.

Патент 1. Пат. (Решение о выдаче патента от 27.09.2012) Российская Федерация. Способ получения пористого керамического материала / Мельникова Г.В., Жуков И.А., Буякова С.П. и др. – Заявка № 2010147109/03 (068069). – 7 с.

В других научных изданиях 1. Жуков И.А. Пористые композиционные материалы ZrO2 - Al2O3 / И.А. Жуков, С.П. Буякова, С.Н. Кульков // Сборник трудов VIII Международной научной школыконференции «Фундаментальное и прикладное материаловедение». – Барнаул, АлтГТУ, 2011. – C. 190 – 192.

2. Жуков И.А. Пористая керамика, получаемая из смеси оксидов и гидроксидов металлов / И.А. Жуков, А.В. Козлова // Труды VI Международной научнотехнической конференции «Современные проблемы машиностроения». – Томск, ТПУ, 2011. – С. 492 – 494.

3. Жуков И.А. Получение пористой керамики ZrO2 - Al2O3 с использованием гидрозолей / И.А. Жуков, Е.С. Дедова // Труды V Международной научно-технической конференции «Современные проблемы машиностроения». – Томск, ТПУ, 2010. – С.

187 – 189.

4. Жуков И.А. Пористые композиты ZrO2 - Al2O3, полученные из порошковых смесей оксида и гидроокиси металлов / И.А. Жуков, С.П. Буякова, С.Н. Кульков // Тезисы докладов Международной конференции по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов. – Томск, 2011. – С.

476 – 478.

5. Жуков И.А. Пористая структура керамических материалов ZrO2 - Al2O3 / И.А.

Жуков, А.В. Козлова, С.П. Буякова и др. // Тезисы докладов Международной конференции по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов. – Томск, 2011. – С. 365 – 366.

6. Kozlova A.V. Structure and properties of zirconia-alumina ceramics based on oxidehydroxide mixtures / A.V. Kozlova, I.A. Zhukov, S.P. Buyakova etc // Yucomat: Tthirteen annual conference. – 2011. – Р. 127.

7. Жуков И.А. Пористые нанокристаллические композиты ZrO2-Al2O3, получаемые с использованием гидрозолей / И.А. Жуков, Е.С. Дедова, Г.В. Мельникова и др.

// Доклады VII всероссийской конференции «Керамика и композиционные материалы». - 2010. – С. 108 – 110.

Подписано в печать 23.11.2012 г.

Формат А4/2. Ризография Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 25/11-Отпечатано в ООО «Позитив-НБ» 634050 г. Томск, пр. Ленина 34а




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.