eng
Выпуск #4/2015
В.Лысенко
Керамика из нанопорошка диоксида олова: получение и свойства
Керамика из нанопорошка диоксида олова: получение и свойства
Просмотры: 5427
С помощью метода электроискрового спекания (spark plasma sintering – SPS) на основе наноразмерного порошка диоксида олова создана мелкозернистая (от 200 до 800 нм), плотная, прочная керамика.
DOI:10.22184/1993-8578.2015.58.4.68.71
DOI:10.22184/1993-8578.2015.58.4.68.71
Отличия между нанокристаллическими и крупнозернистыми материалами в упругих, демпфирующих, прочностных, тепловых, электрических, магнитных и диффузионных свойствах обусловлены не только размером зерен, но и особым состоянием поверхности или границ в нанокристаллических материалах [1]. Одно из направлений нанотехнологий – создание керамики из наноразмерных порошков с сохранением очень малых размеров зерна. Предполагается, что наряду со свойствами керамики, полученной из крупнозернистых материалов, нанокерамика будет обладать некоторыми уникальными, – например, сверхпластичностью [2].
Известно, что чем меньше размер зерен и чем больше развита зернистая структура, тем прочнее и тверже керамика. Вместе с тем, в используемых для получения керамики нанопорошках существуют устойчивые трудноразрушаемые агломераты наночастиц [3], что требует применения нестандартных методов компактирования, например горячего прессования.
Современное состояние исследований по нанокерамике, созданной из различных нанопорошков отображено в работах [4–6] и других, в том числе автора [7–19]. Очередным этапом стало исследование керамики, созданной из нанопорошка диоксида олова.
Оксиды олова применяются в качестве катализатора в антистатических покрытиях, в чувствительных слоях газовых сенсоров, в оптико-электронных приборах, резисторах, жидкокристаллических дисплеях, в качестве пигмента в керамической глазури, красках и эмалях, при производстве термически и химически стойких стекол, в качестве абразивного материала при "доводке" поверхности оптического стекла, в роли люминофора в осветительном оборудовании.
Цель настоящей работы – создание из нанодисперсного порошка диоксида олова с помощью метода SPS плотной и твердой керамики с мелкозернистой (менее микрона) структурой.
условиЯ эксперимента
В исследованиях использовался нанопорошок диоксида олова SnO2, созданный российской фирмой "ПлазмоТерм" путем синтеза в потоке термической плазмы, генерируемой в электрическом разряде. На рис.1 приведены результаты электронной микроскопии этого нанопорошка.
Порошок обладал следующими свойствами:
• средний размер частиц d = 60 нм;
• удельная поверхность S = 18 м2/г;
• CAS номер 18282-10-5;
• чистота – 99,7%;
• цвет – белый;
• форма частиц – сферическая;
• структура – полидисперсная;
• функция распределения частиц по размерам близка к логарифмически нормальной.
Спекание порошка проводилось на установке Sinter Land Labox в Институте гидродинамики им. М.А.Лаврентьева СО РАН электроискровым методом (горячим прессованием с использованием спекающей искровой плазмы), когда импульсы электрического тока проходят через заранее спрессованный порошок. Основным отличием SPS от традиционного прессования (при последовательных прессовании и спекании) является подведение импульсного электрического тока непосредственно к образцу, что способствует быстрому нагреву порошка и сохранению в значительной степени его микроструктурных параметров в консолидированном материале. В ходе экспериментов при напряжении 3–4 В сила тока достигала 2 кА. Прессование проводилось при максимальной температуре 600°С и давлении 40 МПа. Скорость нагрева поддерживалась 100°С/мин, без выдержки при максимальной температуре.
Выбор значения максимальной температуры был обусловлен тем, что при T>600°С начинал выделяться кислород и тем интенсивнее, чем выше была температура, а после эксперимента при 1400°С в матрице штампа присутствовали отдельные фрагменты олова.
Микротвердость образцов керамики исследовалась с помощью микротвердомера ПМТ-3. На электронном сканирующем микроскопе ZEISS EVO-50WDS-XVP-BU (в ИТПМ СО РАН ) и атомно-силовом микроскопе Solver P47 производства фирмы NT-MDT исследовались сколы керамики после напыления на них слоя золота. Рентгенографическое исследование полученной керамики проведено с помощью дифрактометра HZG-4.
Результаты и их обсуждение
Диаметр и толщина полученных образцов керамики составляли 9,7 и 2,6 мм, а плотность керамики – 4,1 г/см3.
Рентгенографическое исследование показало, что образец керамики является диоксидом олова SnO2 (77-448) с тетрагональной структурой, пространственной группой P42/mmm (No.136) и размерами решетки a = 4,7391 Å и c = 3,1869 Å.
На рис.2 и 3 приведены изображения сканирующей электронной и атомно-силовой микроскопии скола образца, на которых видно, что размер зерен составляет от 200 до 800 нм.
Микротвердость керамики, полученной при Тmax = 600°С, составила Hv = 2,8 ГПа.
Таким образом, с помощью метода электроискрового спекания SPS на основе наноразмерного порошка диоксида олова создана мелкозернистая (от 200 до 800 нм), плотная, прочная керамика с микротвердостью около 3 ГПа.
Работа выполнена при поддержке СО РАН (проект III.23.4.1). Автор выражает благодарность А.Анисимову, В.Мали, В.Емелькину, Г.Позднякову и Д.Корнееву за помощь в работе.
ЛИТЕРАТУРА
1. Моисеев И.И., Климов Д.М., Спицын Б.В., Котов Ю.А., Русанов А.И., Микаэлян А.Л., Алфимов М.В., Раховский В.И. Обсуждение проблем нанотехнологии // Вестник Российской академии наук. 2003. Т. 73. № 7. С. 429–449.
2. Zhou Xinzhang, Hulbert Dustin M., Kuntz Joshua D., Sadangi Rajendra K., Shukla Vijay, Kear Bernard H., Mukherjee Amiya K. Superplasticity of zirconia-alumina-spinel nanoceramic composite by spark plasma sintering of plasma sprayed powders // Materials Science and Engineering A. 2005. V. 39. Р. 353–359.
3. Анциферов В.Н., Перельман В.Е. Механика процессов прессования порошковых и композиционных материалов. – М., 2001, c. 175–202.
4. Физикохимия ультрадисперсных систем (ред. В.Ф.Петрунин) // Тезисы V Всероссийской конференции, 9-13 октября 2000 г., Екатеринбург. – МИФИ. М., 2000, 420 c.
5. Nanoparticles, Nanostructures & Nanocomposites, Topical meeting of the European Ceramics Society, July 5–7, 2004, St. Peterburg. Book of Abstracts // VVM. St. Peterburg, 2004, 216 p.
6. Nanostructures: Physics and Technology. Proceedings of 16th International Symposium, June 25–29, 2007, Novosibirsk // Ioffe Institute. St.Peterburg, 2007, 370 p.
7. Лысенко В.И. Керамика из нанопорошка оксида цинка. Получение, структура, свойства // Наноиндустрия. 2013. № 1. С. 38–40.
8. Анисимов А.Г., Бардаханов С.П., Завьялов А.П., Зобов К.В., Лысенко В.И., Мали В.И., Труфанов Д.Ю. Влияние условий спекания на структуру и свойства керамики из наноразмерных порошков оксида кремния // Вестник НГУ. 2013. Т. 8. Вып. 1. С. 107–114. (Физика).
9. Лысенко В.И., Горев В.Н., Литвиненко Ю.А., Бардаханов С.П. Получение и свойства керамики из нанопорошка оксида железа // Вестник НГУ. 2013. Т. 8. Вып.1. С. 99–103. (Физика).
10. Бардаханов С.П., Лысенко В.И., Номоев А.В., Труфанов Д.Ю. Создание керамики из нанопорошков диоксида кремния // Физика и химия стекла. 2008. Т. 34. № 4. С. 665-–667.
11. Бардаханов С.П., Лысенко В.И., Малов А.Н., Маслов Н.А., Номоев А.В. Структура и свойства керамики на основе нанодисперсных порошков оксида гадолиния и оксида иттрия // Физическая мезомеханика. 2008. Т. 11. № 5. С. 111–114.
12. Бардаханов С.П., Лысенко В.И., Номоев А.В., Труфанов Д.Ю., Фокин А.В. Получение керамики из нанопорошка закиси меди и ее свойства // Вопросы материаловедения. 2010. № 3(63). С. 82–85.
13. Бардаханов С.П., Лысенко В.И., Номоев А.В., Труфанов Д.Ю. Получение и свойства нанопорошка оксида вольфрама и керамики из него // Наука и технологии в промышленности. 2009. № 4. С. 39–41.
14. Бардаханов С.П., Ким А.В., Лысенко В.И., Номоев А.В., Труфанов Д.Ю., Буянтуев М.Д., Базарова Д.Ж. Свойства керамики, полученной из нанодисперсных порошков // Неорганические материалы. 2009. Т. 45. № 3. С. 379–384.
15. Бардаханов С.П., Ким А.В., Лысенко В.И., Маслов Н.А., Номоев А.В., Рожин И.А., Труфанов Д.Ю. Структура и свойства нанокерамики на основе порошка оксида алюминия // Наноиндустрия. 2009. Т. 14. № 2. С. 22–25.
16. Бардаханов С.П., Емелькин В.А., Лысенко В.И., Номоев А.В., Труфанов Д.Ю. Получение и свойства керамики из нанопорошка диоксида циркония // Физика и химия стекла. 2009. Т. 35. № 5. С. 710-–714.
17. Лысенко В.И., Анисимов А.Г, Мали В.И., Емелькин В.А. Микротвердость керамики на основе различных нанопорошков оксида алюминия, полученной разными методами // Неорганические материалы. 2014. Т. 50. № 5. С. 577–580.
18. Лысенко В.И., Анисимов А.Г., Мали В.И. Микротвердость керамики из нанопорошков оксидов, полученной традиционным и SPS методами // Стекло и керамика. 2014. № 12. С. 15–17.
19. Лысенко В.И., Мали В.И., Анисимов А.Г, Труфанов Д.Ю. Сравнение характеристик нанопористой керамики, созданной по методу SPS и традиционным способом // Наноиндустрия. 2015. № 1.
Известно, что чем меньше размер зерен и чем больше развита зернистая структура, тем прочнее и тверже керамика. Вместе с тем, в используемых для получения керамики нанопорошках существуют устойчивые трудноразрушаемые агломераты наночастиц [3], что требует применения нестандартных методов компактирования, например горячего прессования.
Современное состояние исследований по нанокерамике, созданной из различных нанопорошков отображено в работах [4–6] и других, в том числе автора [7–19]. Очередным этапом стало исследование керамики, созданной из нанопорошка диоксида олова.
Оксиды олова применяются в качестве катализатора в антистатических покрытиях, в чувствительных слоях газовых сенсоров, в оптико-электронных приборах, резисторах, жидкокристаллических дисплеях, в качестве пигмента в керамической глазури, красках и эмалях, при производстве термически и химически стойких стекол, в качестве абразивного материала при "доводке" поверхности оптического стекла, в роли люминофора в осветительном оборудовании.
Цель настоящей работы – создание из нанодисперсного порошка диоксида олова с помощью метода SPS плотной и твердой керамики с мелкозернистой (менее микрона) структурой.
условиЯ эксперимента
В исследованиях использовался нанопорошок диоксида олова SnO2, созданный российской фирмой "ПлазмоТерм" путем синтеза в потоке термической плазмы, генерируемой в электрическом разряде. На рис.1 приведены результаты электронной микроскопии этого нанопорошка.
Порошок обладал следующими свойствами:
• средний размер частиц d = 60 нм;
• удельная поверхность S = 18 м2/г;
• CAS номер 18282-10-5;
• чистота – 99,7%;
• цвет – белый;
• форма частиц – сферическая;
• структура – полидисперсная;
• функция распределения частиц по размерам близка к логарифмически нормальной.
Спекание порошка проводилось на установке Sinter Land Labox в Институте гидродинамики им. М.А.Лаврентьева СО РАН электроискровым методом (горячим прессованием с использованием спекающей искровой плазмы), когда импульсы электрического тока проходят через заранее спрессованный порошок. Основным отличием SPS от традиционного прессования (при последовательных прессовании и спекании) является подведение импульсного электрического тока непосредственно к образцу, что способствует быстрому нагреву порошка и сохранению в значительной степени его микроструктурных параметров в консолидированном материале. В ходе экспериментов при напряжении 3–4 В сила тока достигала 2 кА. Прессование проводилось при максимальной температуре 600°С и давлении 40 МПа. Скорость нагрева поддерживалась 100°С/мин, без выдержки при максимальной температуре.
Выбор значения максимальной температуры был обусловлен тем, что при T>600°С начинал выделяться кислород и тем интенсивнее, чем выше была температура, а после эксперимента при 1400°С в матрице штампа присутствовали отдельные фрагменты олова.
Микротвердость образцов керамики исследовалась с помощью микротвердомера ПМТ-3. На электронном сканирующем микроскопе ZEISS EVO-50WDS-XVP-BU (в ИТПМ СО РАН ) и атомно-силовом микроскопе Solver P47 производства фирмы NT-MDT исследовались сколы керамики после напыления на них слоя золота. Рентгенографическое исследование полученной керамики проведено с помощью дифрактометра HZG-4.
Результаты и их обсуждение
Диаметр и толщина полученных образцов керамики составляли 9,7 и 2,6 мм, а плотность керамики – 4,1 г/см3.
Рентгенографическое исследование показало, что образец керамики является диоксидом олова SnO2 (77-448) с тетрагональной структурой, пространственной группой P42/mmm (No.136) и размерами решетки a = 4,7391 Å и c = 3,1869 Å.
На рис.2 и 3 приведены изображения сканирующей электронной и атомно-силовой микроскопии скола образца, на которых видно, что размер зерен составляет от 200 до 800 нм.
Микротвердость керамики, полученной при Тmax = 600°С, составила Hv = 2,8 ГПа.
Таким образом, с помощью метода электроискрового спекания SPS на основе наноразмерного порошка диоксида олова создана мелкозернистая (от 200 до 800 нм), плотная, прочная керамика с микротвердостью около 3 ГПа.
Работа выполнена при поддержке СО РАН (проект III.23.4.1). Автор выражает благодарность А.Анисимову, В.Мали, В.Емелькину, Г.Позднякову и Д.Корнееву за помощь в работе.
ЛИТЕРАТУРА
1. Моисеев И.И., Климов Д.М., Спицын Б.В., Котов Ю.А., Русанов А.И., Микаэлян А.Л., Алфимов М.В., Раховский В.И. Обсуждение проблем нанотехнологии // Вестник Российской академии наук. 2003. Т. 73. № 7. С. 429–449.
2. Zhou Xinzhang, Hulbert Dustin M., Kuntz Joshua D., Sadangi Rajendra K., Shukla Vijay, Kear Bernard H., Mukherjee Amiya K. Superplasticity of zirconia-alumina-spinel nanoceramic composite by spark plasma sintering of plasma sprayed powders // Materials Science and Engineering A. 2005. V. 39. Р. 353–359.
3. Анциферов В.Н., Перельман В.Е. Механика процессов прессования порошковых и композиционных материалов. – М., 2001, c. 175–202.
4. Физикохимия ультрадисперсных систем (ред. В.Ф.Петрунин) // Тезисы V Всероссийской конференции, 9-13 октября 2000 г., Екатеринбург. – МИФИ. М., 2000, 420 c.
5. Nanoparticles, Nanostructures & Nanocomposites, Topical meeting of the European Ceramics Society, July 5–7, 2004, St. Peterburg. Book of Abstracts // VVM. St. Peterburg, 2004, 216 p.
6. Nanostructures: Physics and Technology. Proceedings of 16th International Symposium, June 25–29, 2007, Novosibirsk // Ioffe Institute. St.Peterburg, 2007, 370 p.
7. Лысенко В.И. Керамика из нанопорошка оксида цинка. Получение, структура, свойства // Наноиндустрия. 2013. № 1. С. 38–40.
8. Анисимов А.Г., Бардаханов С.П., Завьялов А.П., Зобов К.В., Лысенко В.И., Мали В.И., Труфанов Д.Ю. Влияние условий спекания на структуру и свойства керамики из наноразмерных порошков оксида кремния // Вестник НГУ. 2013. Т. 8. Вып. 1. С. 107–114. (Физика).
9. Лысенко В.И., Горев В.Н., Литвиненко Ю.А., Бардаханов С.П. Получение и свойства керамики из нанопорошка оксида железа // Вестник НГУ. 2013. Т. 8. Вып.1. С. 99–103. (Физика).
10. Бардаханов С.П., Лысенко В.И., Номоев А.В., Труфанов Д.Ю. Создание керамики из нанопорошков диоксида кремния // Физика и химия стекла. 2008. Т. 34. № 4. С. 665-–667.
11. Бардаханов С.П., Лысенко В.И., Малов А.Н., Маслов Н.А., Номоев А.В. Структура и свойства керамики на основе нанодисперсных порошков оксида гадолиния и оксида иттрия // Физическая мезомеханика. 2008. Т. 11. № 5. С. 111–114.
12. Бардаханов С.П., Лысенко В.И., Номоев А.В., Труфанов Д.Ю., Фокин А.В. Получение керамики из нанопорошка закиси меди и ее свойства // Вопросы материаловедения. 2010. № 3(63). С. 82–85.
13. Бардаханов С.П., Лысенко В.И., Номоев А.В., Труфанов Д.Ю. Получение и свойства нанопорошка оксида вольфрама и керамики из него // Наука и технологии в промышленности. 2009. № 4. С. 39–41.
14. Бардаханов С.П., Ким А.В., Лысенко В.И., Номоев А.В., Труфанов Д.Ю., Буянтуев М.Д., Базарова Д.Ж. Свойства керамики, полученной из нанодисперсных порошков // Неорганические материалы. 2009. Т. 45. № 3. С. 379–384.
15. Бардаханов С.П., Ким А.В., Лысенко В.И., Маслов Н.А., Номоев А.В., Рожин И.А., Труфанов Д.Ю. Структура и свойства нанокерамики на основе порошка оксида алюминия // Наноиндустрия. 2009. Т. 14. № 2. С. 22–25.
16. Бардаханов С.П., Емелькин В.А., Лысенко В.И., Номоев А.В., Труфанов Д.Ю. Получение и свойства керамики из нанопорошка диоксида циркония // Физика и химия стекла. 2009. Т. 35. № 5. С. 710-–714.
17. Лысенко В.И., Анисимов А.Г, Мали В.И., Емелькин В.А. Микротвердость керамики на основе различных нанопорошков оксида алюминия, полученной разными методами // Неорганические материалы. 2014. Т. 50. № 5. С. 577–580.
18. Лысенко В.И., Анисимов А.Г., Мали В.И. Микротвердость керамики из нанопорошков оксидов, полученной традиционным и SPS методами // Стекло и керамика. 2014. № 12. С. 15–17.
19. Лысенко В.И., Мали В.И., Анисимов А.Г, Труфанов Д.Ю. Сравнение характеристик нанопористой керамики, созданной по методу SPS и традиционным способом // Наноиндустрия. 2015. № 1.
Отзывы читателей
