Введение к работе
Актуальность исследований. Керамические материалы на основе оксида алюминия широко используются в различных областях промышленности, что обусловлено особым комплексом свойств - высокие температура эксплуатации, прочность, термостойкость и износостойкость, химическая стойкость. При создании керамик различного функционального назначения основным требованием является получение материала с заданной структурой с оптимальными физико-механическими свойствами. Можно выделить несколько актуальных проблем материаловедения, возникающих при разработке таких материалов. Например, существует проблема при получении катализаторов для доокисле-ния выхлопных газов в двигателях внутреннего сгорания, которая заключается в создании активного поверхностного слоя из метастабильных модификаций оксида алюминия, способного работать при температурах до 900С. Использование нанокристаллических порошков оксидов металлов открывает принципиально новые возможности при создании катализаторов за счет запасенной избыточной поверхностной энергии по сравнению с крупнокристаллическими порошками, которая может привести к изменению температурных интервалов фазовых переходов.
Другой проблемой является создание мембран и фильтрующих керамических элементов с многослойной структурой с высокими прочностными свойствами. Одним из решений этой проблемы может стать использование нанокристаллических порошков, в процессе спекания которых происходит формирование особых многозеренных нанокристаллических структур с высокой прочностью связи на границах зерен, составляющих керамический каркас, в результате чего увеличивается прочность всего материала. Создание керамик на основе наноструктурных порошков и их смесей с крупнокристаллическими порошками позволит направленно формировать структуру керамических материалов без использования таких вспомогательных технологических приемов, как введение пено- и порообразователей, которые, как правило, отрицательно сказываются на прочностных свойствах керамики. Похожая проблема существует в области медицинского материаловедения при создании керамических эндопротезов костной ткани, когда для достижения его биомеханической совместимости с костной тканью должно быть обеспечено максимальное приближение структуры и свойств эндопротеза к структуре и свойствам кости. Решением данной проблемы также может стать использование нанокристаллических порошков, которые, по-видимому, позволят более точно воссоздать необходимую структуру и свойства костной ткани.
Таким образом, разработка единого подхода, который позволял бы создавать керамические материалы с заданной структурой и свойствами при различном соотношении крупно- и нанокристаллических порошков в исходной смеси является актуальной задачей.
В соответствии с вышеизложенным целью данной работы явилось изучение строения и свойств порошков оксида алюминия различной дисперсности, установление закономерностей формирования поровой структуры материалов в
зависимости от соотношения этих порошков и определение основных физико-механических свойств спеченных керамик.
В соответствии с целью поставлены следующие задачи исследования:
-
Исследовать особенности удельной поверхности и фазовых превращений в порошках АЬОз различной дисперсности при термообработке.
-
Изучить поровуго структуру керамики и её характер в зависимости от соотношения порошков А120з различной дисперсности.
-
Определить параметры тонкой кристаллической структуры керамики и их связь с морфологическим строением порового пространства.
-
Изучить влияние содержания нлазмохимического порошка АЬ03 в исходной смеси порошков на физико-механические свойства керамики.
-
Исследовать механические свойства керамики при изменении пористости и размеров структурных элементов.
Научная новизна. Установлено, что в плазмохимическом порошке АЬОз наблюдается сохранение большого содержания метастабильных модификаций до высоких температур, а затем в узком интервале (~1150-1200С) происходит резкий переход в ромбоэдрическую решетку, который носит «взрывной» характер и в процессе спекания приводит к активации диффузии.
Показано, что в керамических материалах на основе оксида алюминия с различным соотношением крупно- и нанокристаллических порошков основная часть дефектов расположена по границам зерен. При увеличении содержания плазмохимического порошка в исходной смеси порошков, после спекания в керамике с пористостью около 50%, происходит смена характера поровой структуры от изолированных пор и поровых кластеров к структуре, состоящей из двух взаимопроникающих компонент вещество-пора. Это сопровождается резким ростом микроискажений кристаллической решетки.
Установлено, что в процессе спекания исследуемых керамик преобладает диффузия но границам зерен, независимо от соотношения крупно- и нанокристаллических порошков в исходной смеси. Увеличение содержания нанокри-сталлического плазмохимического порошка оксида алюминия в исходной смеси порошков приводит к смене механизмов уплотнения в процессе спекания, и, как следствие, становится возможным получение контролируемой усадки спекаемого материала, вплоть до безусадочного синтеза керамики.
Практическая ценность работы. Полученный комплекс результатов позволяет направленно формировать структуру п свойства керамических материалов путем изменения содержания нанокристаллического плазмохимического порошка АЬОз в исходной смеси порошков. Это позволило сформулировать рекомендации для практического применения керамических материалов на основе порошков А1203 различной дисперсности. Установленные закономерности изменения физико-механических свойств керамики от пористости и соотношения крупно- и нанокристаллических порошков в исходной смеси позволяют формировать необходимый объемом порового пространства с заданными прочностными свойствами.
Сохранение высокого содержания метастабильных модификаций оксида алюминия до температуры 1150С в плазмохимическом порошке AI2O3, позволяет применять его в качестве катализатора для доокисления выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания, способного эффективно работать в условиях повышенных температур без применения легирующих добавок. Керамические материалы на основе порошков АЬОз различной дисперсности найдут широкое применение в качестве носителей катализаторов, фильтров и мембран, а также в медицине в качестве эндопротезов костных тканей с хорошей биосовместимостью и физико-механическими свойствами, не уступающими современным аналогам.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Комплекс результатов о пористости и виде пор, фазовом составе, параметрах тонкой кристаллической структуры и физико-механических свойствах керамики на основе порошков АЬОз различной дисперсности, который позволяет получать материалы со свойствами, необходимыми для их практического применения.
-
При термическом воздействии в плазмохимическом порошке А1203 фазовые переходы в стабильную а- форму происходят в узком температурном интервале и носят «взрывной» характер, приводящий к активации спекания.
-
Изменение структуры от высокопористого керамического каркаса к структуре с изолированными порами при увеличении содержания плазмохими-ческого порошка АЬ03 определяется сменой механизмов уплотнения и, как следствие, возможно получение контролируемой усадки, вплоть до безусадочного синтеза керамики.
Достоверность результатов исследований, представленных в диссертации, обеспечивается использованием апробированных методов исследования, анализом литературных данных, сопоставлением полученных результатов с данными других авторов, статистической обработкой результатов эксперимента.
Апробация работы. Основные результаты диссертации доложены на XIV Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Россия, Томск, 24 - 28 марта 2008г.), Всероссийской конференции молодых ученых «Физика и химия высокоэнергетических систем» (Россия, Томск, 22 - 25 апреля 2008г.), VIII Всероссийской школе-семинаре с международным участием «Новые материалы. Создание, структура, свойства» (Россия, Томск, 9-11 июня 2008г.), Международной школе-семинаре «Многоуровневые подходы в физической мезомеханике. Фундаментальные основы и инженерные приложения» (Россия, Томск, 9-12 сентября 2008г.), II научно-технической конференции молодых ученых «Перспективы создания и применения конденсированных высокоэнергетических материалов» (Россия, Бийск, 25 -26 сентября 2008г.), Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (Россия, Новосибирск, 04 - 07 декабря 2008г.), V Всероссийской конференции молодых ученых «Физика и химия высокоэнергетических сие-
тем» (Россия, Томск, 22-25 апреля 2009г.), XV Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Россия, Томск, 4-8 мая 2009г.), Международной конференции по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов (Россия, Томск, 7-11 сентября 2009г.), Международном форуме по нанотехнологиям (Россия, Москва, 6-8 октября 2009г.), Научно-технической конференции с международным участием V Ставеровские чтения (Россия, Красноярск, 15-16 октября 2009г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликована 21 работа, из них 5 - в рецензируемых журналах аккредитованных ВАК, 8 докладов и 8 тезисов -в материалах научных конференций различного уровня.
Личный вклад автора заключается в совместной с научным руководителем постановке задачи диссертации, проведении экспериментов, обработке полученных результатов, формулировке выводов и положений, выносимых на защиту, написании статей по теме диссертации.
Структура н объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, семи разделов, заключения, списка использованных источников из 133 наименований, всего 127 страниц машинописного текста, включая 46 рисунков и 7 таблиц.
