Введение к работе
Актуальность работы.
Важным направлением порошковой металлургии, представляющим специфическую, обособленную ее часть, является создание пористых порошковых материалов, работоспособность и область применения которых определяются наличием взаимосвязанной системы пор. Поровая структура обеспечивает им такие свойства, как проницаемость для газов и жидкостей, способность задерживать инородные включения, способность к капиллярному транспорту жидкости, ее удержанию в порах, развитую удельную поверхность и т.д.
В настоящее время пористые порошковые материалы успешно применяются в космической технике и сельском хозяйстве, машиностроении и медицине, электронной и химической промышленности, атомной энергетике и приборостроении. Пористые порошковые материалы характеризуются большой проницаемостью, устойчивостью к тепловым ударам, а самое главное, возможностью управления их свойствами в самых широких пределах. Эти материалы выгодно отличаются простотой, экономичностью изготовления, возможностью многократного использования.
Материалы с нано- и микропористостью, как органические, так и неорганические - основа для всех процессов, протекающих в биосфере. В настоящее время, когда все более очевидной становится необходимость разработки технологий, которые при высокой эффективности оказывали бы минимальное отрицательное воздействие на природу, необходимы пористые материалы, способные без деградации свойств работать как при нормальных условиях, так и при воздействии высоких температур, агрессивных сред, жесткого излучения. Поставленным требованиям удовлетворяет керамика на основе стабилизированного диоксида циркония.
При реализации известных методов получения микропористых материалов (введение выгорающих добавок, темплатный синтез и т.д.) редко удается получить устойчивую при высоких температурах поровую структуру с узким распределением пор по размерам. В последнее время внимание исследователей привлек метод термогелевого литья, являющийся разновидностью метода шликерного литья.
Считается, что метод перспективен для получения изделий различной формы и пористости, однако, в настоящее время ни физико-химические основы процессов, протекающих при формировании керамических изделий, ни технологические приемы их получения практически не разработаны.
В связи с этим исследование процессов формирования материалов тер- могелевым литьем и получение пористой керамики - актуальные задачи порошкового материаловедения.
Связь работы с научными программами, планами, темами. Работа выполнена в соответствии с планом НИР Научного центра порошкового материаловедения ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»; поддержана Федеральным агентством по науке и инновациям в рамках Федеральной целевой программы (государственный контракт № 02.552.11.7082), грантом Президента НШ-4239.2010.3 для государственной поддержки научных исследований, проводимых ведущими научными школами Российской Федерации, и грантами Российского фонда фундаментальных исследований № 08-08-00253-а «Генезис и формирование нано- и микропористой структуры при фазовых превращениях в процессе получения материалов на основе диоксида циркония» и № 10-08- 00765-а «Нано- и микропористые материалы на основе диоксида циркония, допированного оксидами иттрия, церия и титана, и композиционные материалы на их основе».
Цель работы - изучение процессов формирования жаростойких пористых материалов на основе стабилизированного диоксида циркония методом термогелевого литья и разработка технологических основ их получения.
Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:
-
Исследование нанодисперсных порошков диоксида циркония, стабилизированных оксидами иттрия и церия.
-
Изучение закономерностей формирования пористых материалов методом термогелевого литья.
-
Разработка технологической схемы получения пористой керамики с узким распределением пор по размерам.
-
Исследование зависимостей свойств пористых материалов от фазового состава и параметров технологического процесса.
Научная новизна. Впервые проведены фундаментальные исследования направленные на изучение процессов формирования микро- и нанопори- стой структуры в керамике на основе диоксида циркония, стабилизированного оксидами иттрия и церия.
Изучено влияние предварительной механохимической активации на технологические и физические свойства порошков.
Исследованы закономерности формирования материалов с бимодальным узким распределением по размерам микро- и нанопор.
Установлены возможности варьирования размеров микропор.
С применением метода термомеханического анализа определены параметры термообработки (спекания) для получения пористой структуры получаемых изделий.
Исследовано влияние состава стабилизирующих добавок на процессы формирования порового пространства и морфологию поверхности пористых материалов.
Практическая значимость. Проведены комплексные исследования ультра- и нанодисперсных порошков диоксида циркония, стабилизированного оксидами иттрия и церия, как сырья для получения пористых керамических материалов.
Разработана оптимальная технологическая схема и параметры процесса термогелевого литья для получения жаростойкой керамики на основе диоксида циркония с узким распределением микро- и нанопор по размерам.
Испытания на экспериментальной установке в ООО «Нефть. Экология. Производство» (г. Пермь) показали положительные результаты при исследовании пористых образцов в качестве носителей твердых кислотных катализаторов конверсии углеводородов.
Выполнен проект ТУ на выпуск продукции на основе разработанной технологической схемы. Получен патент и подана заявка на патент.
Достоверность экспериментальных данных обеспечивается использованием современных средств и методик проведения исследования. Изучение характеристик порошков и пористых материалов проводили на термомеханическом анализаторе SETSYS Evolution фирмы SETARAM Instrumentation (Франция) с использованием программы SETSOFT 2000; дифрактометре XRD-6000, Shimadzu с использованием пакета программ для сбора и обработки данных Shimadzu XRD-6000/7000 V5.21; многофункциональном спектрометре комбинационного рассеяния света «SENTERRA» (Bruker, Германия); Фурье-спектрометре IFS-66 (Bruker, Германия), полуавтоматическом ртутном поромере 9300, аналитическом автоэмиссионном растровом электронном микроскопе ULTRA 55 (Carl Zeiss, Германия).
Положения, выносимые на защиту.
-
-
Результаты комплексного исследования порошков диоксида циркония, стабилизированных оксидами иттрия и церия.
-
Влияние механохимической активации на фазовый состав исходных порошков и физико-химические характеристики изделий.
-
Закономерности формирования пористых материалов методом термо- гелевого литья.
-
Технологическая схема получения пористой керамики на основе диоксида циркония с узким распределением пор по размерам.
-
Результаты исследования зависимостей свойств пористых материалов от фазового состава и параметров технологического процесса.
Апробация результатов работы. Основные положения и результаты докладывались на следующих конференциях: XV Туполевские чтения: Международная молодежная научная конференция» (г. Казань, 2007 г.); Всероссийская конференция с международным Интернет-участием «От наноструктур, наноматериалов и нанотехнологий к наноиндустрии» (г. Ижевск, 2007 г.); Краевая дистанционная научно-практическая конференция молодых ученых и студентов (г. Пермь, 2008 г.); Всероссийская конференция с международным Интернет-участием (г. Ижевск, 2009 г.); I Пермский молодежный инновационный конвент: ВЦ «Пермская ярмарка», 23-24 октября, 2009 г.; Всероссийская научная конференция «Керамика и композиционные материалы» (г. Сыктывкар, 2010 г.); Третья международная конференция «От наноструктур, наноматериалов и нанотехнологий к наноиндустрии» (г. Ижевск, 2011 г.); 4-й Международный симпозиум «Пористые проницаемые материалы: технологии и изделия на их основе» (г. Минск, Беларусь, 2011 г.), выставка INEXPO (г. Екатеринбург, 2010 г.). Получен диплом второй степени за высокий научный уровень предоставленного доклада на международной молодежной научной конференции «XV Туполевские чтения» (г. Казань, 2007 г.). На межрегиональной специализированной выставке Уральской недели высоких технологий «Нанотехнологии. Инновационное развитие Урала», проходившей в г. Екатеринбурге с 19 по 21 мая 2010г., разработка награждена дипломом.
Публикации. По результатам исследования автором опубликовано 16 печатных работ; в том числе 6 статей в журналах, рекомендованных ВАК; 2 статьи в зарубежных изданиях; 7 тезисов докладов на российских и международных конференциях; 1 патент.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и основных выводов. Работа содержит 112 страниц текста, 11 таблиц, 49 рисунков, 1 приложение. Список использованных источников включает 103 наименования.
Похожие диссертации на Пористые материалы на основе диоксида циркония, допированного оксидами иттрия и церия
-
