Введение к работе
Актуальность исследований. В мире современных материалов керамические композиты системы Zr02 - А1203, 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 порообразовате-ля - 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 Zr02 и гидроксида алюминия на структуру и свойства композиционных материалов Zr02 - А1263.
В соответствии с целью диссертационной работы поставлены следующие задачи исследований:
-
Изучить морфологию и фазовый состав порошков диоксида циркония и гидроксида алюминия, отличающихся способом получения.
-
Получить образцы композиционных материалов Zr02 - А1203 посредством прессования порошковых смесей Zr02 - гидроксид алюминия и последующего спекания.
-
Изучить влияние состава порошковых смесей Zr02 - гидроксид алюминия на уплотнение композиционных материалов Zr02 - А1203 при спекании.
4. Изучить влияние состава порошковых смесей Zr02 - гидроксид алюминия на фазовый состав, структуру и механические свойства композиционных материалов Zr02 - А1203.
Научная новизна исследований
В данной работе впервые прослежено влияние гранулометрического и фазового составов компонентов исходной порошковой смеси диоксида циркония и гидрокси-да алюминия на структуру и фазовый состав пористых композиционных материалов системы Zr02 - А1203. Обнаружено, что для композитов Zr02 - А1203 существуют области концентраций гидроксида алюминия в порошковой смеси с малой скоростью уплотнения.
Впервые показано, что в композитах Zr02 - А1203 концентрация тетрагональной фазы определяет размер ее кристаллитов: при малых содержаниях - тетрагонально-моноклинным 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 Zr02 - AI2O3, при котором происходит её самопроизвольное превращение в моноклинную модификацию. Впервые обнаружено, что на содержание высокотемпературной тетрагональной модификации диоксида циркония в пористых композитах Zr02 - А1203 оказывают влияние одновременно два фактора: присутствие оксида алюминия, сдерживающее рост зёрен Zr02 и тем самым достижение критического размера, и пористость, способствующая уменьшению величины критического размера зерна тетрагональной модификации Zr02, 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 Zr02 - А120з. Показано, что увеличение температуры спекания композитов Zr02 - А1203 от 1500 до 1600 С из порошка диоксида циркония, полученного методом химического осаждения, не сопровождается увеличением плотности.
Прочность композиционных материалов Zr02 - А1203 из порошка Zr02, полученного плазмохимическим методом, выше прочности композитов из порошка Zr02, полученного методом химического осаждения, и не зависит от вида гидроксида алюминия в исходной порошковой смеси. Для композитов Zr02 - А1203 на основе порошка Zr02, 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 Zr02 - А120з, в которых необходимый объём порового пространства достигается посредством выхода ОН" 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 научно-методических дополнений к лекциям и практическим занятиям по курсам «Мате-
риаловедение и технологии получения современных материалов», «Физическое материаловедение».
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Комплекс экспериментальных данных о фазовом составе, параметрах кристаллической структуры, микроструктуре и механических свойствах пористых композиционных материалов системы Zr02 - А1203, получаемых с использованием гидро-ксида алюминия.
-
В спеченных композитах Zr02 - А1203 концентрация тетрагональной фазы определяет размер ее кристаллитов: при малых содержаниях - тетрагонально-моноклинным превращением, а при больших - рекристаллизацией.
-
Для композитов Zr02 - А1203 из порошка диоксида циркония, полученного методом химического осаждения, существуют области концентраций А1203 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 - 15 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 мезомехани-ке, компьютерному конструированию и разработке новых материалов (г. Томск, 5-9 сентября 2011 г.); VIII Международной научной школе-конференции «Фундаментальное и прикладное материаловедение» (г. Барнаул, 15 - 17 сентября 2011 г.); ХПІ Международной конференции «YUCOMAT» (г. Херцег Нови, 5-9 сентября 2011 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 работ, из них 2 статьи в репетируемых 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 Zr02 - А1203, проведении структурных, рентгеноструктурных и рентгенофазо-вых исследований, механических испытаний, сопоставлении полученных результатов с литературными данными, формулироваїши 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.
