Введение к работе
Актуальность исследований. В последнее время керамика находит все более широкое применение в качестве конструкционных материалов. Среди всех керамических материалов диоксид циркония, стабилизированный оксидом магния, занимает особое место из-за уникального сочетания разнородных свойств. Керамика Zr02-MgO востребована в металлургии благодаря высокой огнеупорности и термостойкости, хорошей стойкости при взаимодействии с расплавами металлов и шлаков. Система ZrOj-MgO, в отличие от других керамических материалов на основе диоксида циркония, позволяет проводить быстрое охлаждение и тем самым получать ультрадисперсный материал, находящийся в неравновесном состоянии. Особенность керамики ZrC^-MgO заключается в том, что при быстром охлаждении возможна фиксация высокотемпературного состояния, которое при последующих отжигах сопровождается выделением MgO, а тетрагонально-моноклинное превращение зависит от содержания MgO. Поскольку фазовый состав зависит от скорости охлаждения, содержания стабилизатора и температуры спекания, то важной задачей является исследование соотношения фаз и их влияния на механические характеристики керамики.
Полученная традиционными методами свободного спекания керамика ZrC*2-MgO имеет крупнозернистую структуру, а размер зерна может достигать сотен микрон, поэтому ее прочностные характеристики низкие. Это ограничивает область ее применения. Горячее прессование за счет объединения операций спекания и прессования позволяет понизить температуру спекания и предотвратить рост зерна керамики Zr02. Кроме того, после горячего прессования на начальном этапе скорость охлаждения достигает 1000 град/мин, что позволяет фиксировать высокотемпературное состояние вещества.
Таким образом, изучение влияния температуры синтеза и содержания стабилизирующей добавки на фазовый состав, параметры кристаллической решетки, пористость и прочность закаленной горячепрессованной керамики Zr02-MgO позволит получить комплекс данных о ее структурных и фазовых превращениях, а также выработать рекомендации по созданию новых материалов с заданными свойствами. Именно это и определяет актуальность данных исследований.
Цель диссертационной работы - установление закономерностей структурных и фазовых превращений и изучение влияния концентрации стабилизирующей добавки и температуры синтеза на механические характеристики керамики ZrOi-MgO, полученной методом горячего прессования с последующим быстрым охлаждением.
Для реализации указанной цели необходимо решить следующие конкретные задачи:
-
Исследовать фазовый состав и параметры кристаллической структуры горя-чепрессованных образцов Zr02-MgO;
-
Изучить поровую структуру керамики Zi02-MgO в зависимости от количества стабилизирующей добавки и температуры горячего прессования;
-
Проанализировать изменение предела прочности при трехточечном изгибе от температуры горячего прессования и содержания стабилизатора;
-
Исследовать механические характеристики керамики при изменении параметров структуры и фазового состава.
Научная новизна результатов работы
Установлено, что с ростом содержания оксида магния с 9 до 43 (мол)% происходит увеличение пористости образцов на 10%, при этом изменение температуры горячего прессования с 1570 до 1970 К приводит к уменьшению пористости с 25 до 15%.
Установлено, что при быстром охлаждении исследуемого материала количество тетрагонального диоксида циркония зависит от содержания MgO: при температурах горячего прессования 1570-И 670 К с увеличением концентрации MgO в исходном порошке происходит возрастание количества тетрагонального диоксида циркония в горячепрессованной керамике. При этом полученные данные о степени тетрагональности свидетельствуют, что в изучаемой керамике Zr02-MgO, подвергшейся быстрому охлаждению после спекания, присутствует тетрагональный диоксид циркония, способный к трансформации под действием напряжений. Показано, что кристаллиты тетрагонального и моноклинного диоксида циркония бездефектны, а микроискажения обусловлены только границами раздела.
Показано, что средний размер зерна керамики Zr02-MgO, подвергшейся быстрому охлаждению, составляет 3+5 мкм, что на порядок меньше, чем при свободном спекании. Повышение температуры горячего прессования и содержания MgO в исходных порошках приводит к росту среднего размера зерна и дисперсии.
Показано, что предел прочности при трехточечном изгибе и микротвердость горячепрессованной мелкозернистой керамики связаны линейно. Максимальные величины прочности и микротвердости наблюдаются в образцах, полученных при температуре 1970 К и содержащих 43 (мол)% MgO.
Практическая значимость результатов работы
В рамках диссертационной работы получен комплекс результатов о структурных и фазовых превращениях и механических свойствах мелкозернистой керамики Zr02-MgO, изготовленной методом горячего прессования с последующим быстрым охлаждением, в зависимости от температуры горячего прессования и содержания MgO. Это позволяет синтезировать керамику Zr02-MgO с заданными свойствами.
Синтез при температурах горячего прессования 1770+1970 К и содержании 14+43 (мол)% MgO позволяет получить керамику состоящую из кубического диоксида циркония с прочностью (200-S-340 МПа) и пористостью (12+25%) достаточными для создания из нее высокоогнеупорного материала. Поскольку быстрое охлаждение после горячего прессования и бескислородная среда синтеза керамики приводят к избытку кислородных вакансий, то это обусловливает увеличение ионной проводимости, то есть такая керамика может быть использована в качестве твердотопливных элементов и датчиков кислорода.
Положения, выносимые на защиту
-
Совокупность экспериментальных данных о структуре, фазовом составе и прочностных свойствах керамики, полученной при различных температурах методом горячего прессования плазмохимических порошков ZrC^-MgO с широким интервалом содержания MgO.
-
Дефектность структуры горячепрессованной керамики обусловлена искажениями, сосредоточенными по границам областей кристаллитов моноклинной и тетрагональной фазы диоксида циркония.
-
Тетрагонально-кубическое превращение Zr02 сопровождается изменением только размеров кристаллитов диоксида циркония, в то время как размеры кристаллитов оксида магния не изменяются.
-
Увеличение прочности горячепрессованного материала обусловлено уменьшением размеров и микронапряжений кристаллитов кубического ZrC>2.
Апробация работы. Основные результаты доложены на Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (Новосибирск, 17-20 ноября, 2007 г.), IV Всероссийской конференции молодых ученых (Томск, 22-25 апреля, 2008 г.), Международной школе-семинаре «Многоуровневые подходы в физической мезомеханике. Фундаментальные основы и инженерные приложения», (Томск, 9-12 сентября 2008 г.), 11 научно-технической конференции молодых ученых (Бийск, 25-26 сентября, 2008 г.), Научно-технической конференции с международным участием «Ультрадисперсные порошки, наноструктуры, материалы: получеіше, свойства применение» (Красноярск, 15-16 октября, 2009 г.), Пятой Всероссийской конференции молодых ученых (Томск, 22-25 апреля 2009 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 работ, из них 1 статья в журнале, рекомендованном ВАК, 10 статей - в сборниках материалов конференций различного уровня и тезисы 3-х докладов в материалах научных конференций.
Объём и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести разделов, основных выводов и списка цитируемой литературы из 162 наименований. Всего 183 страницы, в том числе 69 рисунков и 25 таблиц.
