eng
Выпуск #5/2019
В.И.Лысенко
Керамика из нанопорошка диоксида титана: создание методом SPS и свойства
Керамика из нанопорошка диоксида титана: создание методом SPS и свойства
Просмотры: 3194
DOI: 10.22184/1993-8578.2019.12.5.246.249
С помощью метода электроискрового спекания (SPS) на основе наноразмерного порошка диоксида титана создана мелкозернистая (порядка 1 мкм), плотная и твердая керамика (с микротвердостью 16 ГПа).
С помощью метода электроискрового спекания (SPS) на основе наноразмерного порошка диоксида титана создана мелкозернистая (порядка 1 мкм), плотная и твердая керамика (с микротвердостью 16 ГПа).
Теги: ceramics fine-grained ceramics microhardness nanopowder sps method sps-метод titanium dioxide диоксид титана керамика мелкозернистая керамика микротвердость нанопорошок
В.И.Лысенко, ведущий научный сотрудник, д.ф.-м.н., (ORCID: 0000-0003-0209-6299), Институт теоретической и прикладной механики, г. Новосибирск / vl@itam.nsc.ru
V.I. Lysenko, Leading Researcher, Doctor of Sc. (Physics and Mathematics),
Institute of Theoretical and Applied Mechanics, Novosibirsk
DOI: 10.22184/1993-8578.2019.12.5.246.249
Получено: 27.05.2019 г.
С помощью метода электроискрового спекания (SPS) на основе наноразмерного порошка диоксида титана создана мелкозернистая (порядка 1 мкм), плотная и твердая керамика (с микротвердостью 16 ГПа).
Dense and solid fine-grained ceramics (microhardness of 16 GPa and grain size of 1µ) based on nanoscale titan dioxide powder was prepared by spark plasma sintering (SPS) method.
ВВЕДЕНИЕ
Отличия между нанокристаллическими и крупнозернистыми материалами в различных свойствах обусловлены не только малым размером зерен в нанокристаллических материалах, но и особым состоянием поверхности или границ зерен в них [1].
Одним из направлений развития нанотехнологий является создание керамики, получаемой из наноразмерных порошков, в которой удается сохранить очень малые размеры зерна. Предполагается, что нанокерамика будет обладать некоторыми особыми свойствами (например, сверхпластичностью [2]) по сравнению с керамикой, полученной из крупнозернистых материалов.
Известно, что чем меньше размер зерен керамики и чем больше развита зернистая структура, тем прочнее и тверже керамика. В то же время в нанопорошках, используемых для получения керамики, существуют устойчивые трудноразрушаемые агломераты наночастиц [3], что требует применения нестандартных методов компактирования (например, метода горячего прессования).
Современное состояние исследований по нанокерамике, созданной из различных нанопорошков, достаточно хорошо отображено в работах [4–6] и автора [7–16].
В данной работе исследуется керамика, созданная из нанопорошка диоксида титана.
Диоксид титана используется в основном в обрабатывающей промышленности для производства красок, защитных покрытий, абразивов и полировки, этот материал играет важную роль в оптике как фотокатализатор и покрытие для линз, задерживающее ультрафиолетовое излучение. Диоксид титана все больше и больше применяется в области экологии, например, при очистке сточных вод и в воздушных фильтрах. Кроме того, он используется при производстве строительных материалов, стекла и зеркал, а также для уничтожения боеголовок химических ракет. Это вещество применяется также при производстве волоконной оптики и радиокерамики, используется в качестве наполнителя в полимерных материалах для авиационной и автомобильной промышленности, при создании химических волокон, пластмасс, печатных красок, в косметической отрасли – в качестве солнцезащитных, отбеливающих и влагозащитных кремов, и в бумажной промышленности.
Целью настоящей работы было создание с помощью метода SPS из нанодисперсного порошка диоксида титана плотной и твердой керамики с мелкозернистой (порядка микрона) структурой.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В данных исследованиях использовался нанопорошок диоксида титана TiO2, созданный российской фирмой "ПлазмоТерм" (здесь порошки синтезируются в потоке термической плазмы, генерируемой в электрическом разряде). На рис.1 приведена фотография нанопорошка диоксида титана, полученная методами электронной микроскопии.
Средний размер частиц исходного порошка составлял d ≈ 90 нм, а удельная поверхность – S ≈ 16 м2/г.
Порошок обладал следующими свойствами: CAS номер 13463-67-7, чистота 99,5%, соотношение фаз анатаз / рутил 50 : 50, цвет – белый, форма частиц сферическая, порошок полидисперсный. Функция распределения частиц по размерам близка к логарифмически нормальной.
Для этого порошка спекание проводилось на установке Labox Sinter Land ИГиЛ СО РАН методом электроискрового спекания (горячего прессования с использованием спекающей искровой плазмы) (Spark Plasma Sintering, SPS), когда импульсы электрического тока проходят через ранее спрессованный порошок (в данных экспериментах сила тока достигала 2 кА при поданном напряжении 3–4 В). Основным отличием SPS от традиционного прессования (при последовательных операциях прессования и спекания) является подведение импульсного электрического тока непосредственно к образцу, что способствует быстрому нагреву порошка и сохранению в значительной степени его микроструктурных параметров в консолидированном материале. Прессование проводилось при максимальной температуре 1100 °С и давлении 40 МПа. Скорость нагрева была 100 °/мин, выдержки при максимальной температуре не было.
На электронном сканирующем микроскопе ZEISS EVO-50WDS-XVP-BU ИТПМ СО РАН исследовались сколы керамики после напыления на них слоя золота.
Микротвердость всех образцов керамики исследовалась с помощью микротвердомера ПМТ-3.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
Диаметр и толщина полученных образцов керамики составляли 9,6 и 3,2 мм.
Как показала электронная сканирующая микроскопия скола керамики, размер зерен полученной керамики составляет величину порядка 1 мкм, то есть с помощью метода SPS создана мелкозернистая плотная керамика.
Микротвердость полученной керамики оказалась весьма высокой – Hv = 16 ГПа. Для сравнения: микротвердость керамики, полученной нами в работе [17] традиционным способом (при последовательных прессовании и спекании) из нанодисперсного порошка TiO2 с размером частиц 78 нм при максимальной температуре спекания 1600 °С, была 9 ГПа, а микротвердость крупнодисперсной керамики, полученной традиционным методом из крупнодисперсного порошка TiO2 с размером частиц более 4000 нм, оказалась равной лишь 4 ГПа.
Таким образом, с помощью метода электроискрового спекания (SPS) на основе наноразмерного порошка диоксида титана создана мелкозернистая (порядка 1 мкм), плотная, прочная керамика с микротвердостью 16 ГПа.
Автор выражает благодарность А.Г.Анисимову, В.И.Мали и В.А.Емелькину за помощь в работе.
ЛИТЕРАТУРА
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.
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. P. 353–359.
Анциферов В.Н., Перельман В.Е. Механика процессов прессования порошковых и композиционных материалов. – М., 2001. С. 175–202.
Физикохимия ультрадисперсных систем / Под ред. В.Ф.Петрунина // Тезисы V Всерос.конференции, 9–13 октября 2000 г., Екатеринбург – МИФИ. – М., 2000. 420 c.
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.
Nanostructures: Physics and Technology. Proceedings of 16th International Symposium, June 25–29, 2007, Novosibirsk – Ioffe Institute, St. Peterburg, 2007, 370 p.
Лысенко В.И. Керамика из нанопорошка оксида цинка. Получение, структура, свойства // Наноиндустрия. 2013. № 1. С. 38–40.
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.
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.
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. № 2. С. 70–76.
Лысенко В.И. Керамика из нанопорошка диоксида олова: создание и свойства // Наноиндустрия. 2015. № 4. С. 68–71.
Лысенко В.И. Создание и свойства керамики из нанопорошка оксида ниобия // Физика и химия стекла. 2016. Т. 42. № 5. С. 109–112.
Лысенко В.И. Керамика из нанопорошка оксида магния: создание и свойства // Наноиндустрия. 2016. № 4. С. 94–97.
Лысенко В.И. Создание и свойства керамики из нанопорошка оксида вольфрама // Наноиндустрия. 2017. № 3. С. 68–71.
Лысенко В.И. Создание и свойства керамики из нанопорошка оксида кобальта // Стекло и керамика. 2017. № 4. С. 15–16.
Лысенко В.И. Керамики из нанопорошка оксида хрома: создание и свойства // Физика и химия стекла. 2018. Т. 44. № 3. С. 263–266.
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.
V.I. Lysenko, Leading Researcher, Doctor of Sc. (Physics and Mathematics),
Institute of Theoretical and Applied Mechanics, Novosibirsk
DOI: 10.22184/1993-8578.2019.12.5.246.249
Получено: 27.05.2019 г.
С помощью метода электроискрового спекания (SPS) на основе наноразмерного порошка диоксида титана создана мелкозернистая (порядка 1 мкм), плотная и твердая керамика (с микротвердостью 16 ГПа).
Dense and solid fine-grained ceramics (microhardness of 16 GPa and grain size of 1µ) based on nanoscale titan dioxide powder was prepared by spark plasma sintering (SPS) method.
ВВЕДЕНИЕ
Отличия между нанокристаллическими и крупнозернистыми материалами в различных свойствах обусловлены не только малым размером зерен в нанокристаллических материалах, но и особым состоянием поверхности или границ зерен в них [1].
Одним из направлений развития нанотехнологий является создание керамики, получаемой из наноразмерных порошков, в которой удается сохранить очень малые размеры зерна. Предполагается, что нанокерамика будет обладать некоторыми особыми свойствами (например, сверхпластичностью [2]) по сравнению с керамикой, полученной из крупнозернистых материалов.
Известно, что чем меньше размер зерен керамики и чем больше развита зернистая структура, тем прочнее и тверже керамика. В то же время в нанопорошках, используемых для получения керамики, существуют устойчивые трудноразрушаемые агломераты наночастиц [3], что требует применения нестандартных методов компактирования (например, метода горячего прессования).
Современное состояние исследований по нанокерамике, созданной из различных нанопорошков, достаточно хорошо отображено в работах [4–6] и автора [7–16].
В данной работе исследуется керамика, созданная из нанопорошка диоксида титана.
Диоксид титана используется в основном в обрабатывающей промышленности для производства красок, защитных покрытий, абразивов и полировки, этот материал играет важную роль в оптике как фотокатализатор и покрытие для линз, задерживающее ультрафиолетовое излучение. Диоксид титана все больше и больше применяется в области экологии, например, при очистке сточных вод и в воздушных фильтрах. Кроме того, он используется при производстве строительных материалов, стекла и зеркал, а также для уничтожения боеголовок химических ракет. Это вещество применяется также при производстве волоконной оптики и радиокерамики, используется в качестве наполнителя в полимерных материалах для авиационной и автомобильной промышленности, при создании химических волокон, пластмасс, печатных красок, в косметической отрасли – в качестве солнцезащитных, отбеливающих и влагозащитных кремов, и в бумажной промышленности.
Целью настоящей работы было создание с помощью метода SPS из нанодисперсного порошка диоксида титана плотной и твердой керамики с мелкозернистой (порядка микрона) структурой.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В данных исследованиях использовался нанопорошок диоксида титана TiO2, созданный российской фирмой "ПлазмоТерм" (здесь порошки синтезируются в потоке термической плазмы, генерируемой в электрическом разряде). На рис.1 приведена фотография нанопорошка диоксида титана, полученная методами электронной микроскопии.
Средний размер частиц исходного порошка составлял d ≈ 90 нм, а удельная поверхность – S ≈ 16 м2/г.
Порошок обладал следующими свойствами: CAS номер 13463-67-7, чистота 99,5%, соотношение фаз анатаз / рутил 50 : 50, цвет – белый, форма частиц сферическая, порошок полидисперсный. Функция распределения частиц по размерам близка к логарифмически нормальной.
Для этого порошка спекание проводилось на установке Labox Sinter Land ИГиЛ СО РАН методом электроискрового спекания (горячего прессования с использованием спекающей искровой плазмы) (Spark Plasma Sintering, SPS), когда импульсы электрического тока проходят через ранее спрессованный порошок (в данных экспериментах сила тока достигала 2 кА при поданном напряжении 3–4 В). Основным отличием SPS от традиционного прессования (при последовательных операциях прессования и спекания) является подведение импульсного электрического тока непосредственно к образцу, что способствует быстрому нагреву порошка и сохранению в значительной степени его микроструктурных параметров в консолидированном материале. Прессование проводилось при максимальной температуре 1100 °С и давлении 40 МПа. Скорость нагрева была 100 °/мин, выдержки при максимальной температуре не было.
На электронном сканирующем микроскопе ZEISS EVO-50WDS-XVP-BU ИТПМ СО РАН исследовались сколы керамики после напыления на них слоя золота.
Микротвердость всех образцов керамики исследовалась с помощью микротвердомера ПМТ-3.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
Диаметр и толщина полученных образцов керамики составляли 9,6 и 3,2 мм.
Как показала электронная сканирующая микроскопия скола керамики, размер зерен полученной керамики составляет величину порядка 1 мкм, то есть с помощью метода SPS создана мелкозернистая плотная керамика.
Микротвердость полученной керамики оказалась весьма высокой – Hv = 16 ГПа. Для сравнения: микротвердость керамики, полученной нами в работе [17] традиционным способом (при последовательных прессовании и спекании) из нанодисперсного порошка TiO2 с размером частиц 78 нм при максимальной температуре спекания 1600 °С, была 9 ГПа, а микротвердость крупнодисперсной керамики, полученной традиционным методом из крупнодисперсного порошка TiO2 с размером частиц более 4000 нм, оказалась равной лишь 4 ГПа.
Таким образом, с помощью метода электроискрового спекания (SPS) на основе наноразмерного порошка диоксида титана создана мелкозернистая (порядка 1 мкм), плотная, прочная керамика с микротвердостью 16 ГПа.
Автор выражает благодарность А.Г.Анисимову, В.И.Мали и В.А.Емелькину за помощь в работе.
ЛИТЕРАТУРА
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.
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. P. 353–359.
Анциферов В.Н., Перельман В.Е. Механика процессов прессования порошковых и композиционных материалов. – М., 2001. С. 175–202.
Физикохимия ультрадисперсных систем / Под ред. В.Ф.Петрунина // Тезисы V Всерос.конференции, 9–13 октября 2000 г., Екатеринбург – МИФИ. – М., 2000. 420 c.
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.
Nanostructures: Physics and Technology. Proceedings of 16th International Symposium, June 25–29, 2007, Novosibirsk – Ioffe Institute, St. Peterburg, 2007, 370 p.
Лысенко В.И. Керамика из нанопорошка оксида цинка. Получение, структура, свойства // Наноиндустрия. 2013. № 1. С. 38–40.
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.
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.
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. № 2. С. 70–76.
Лысенко В.И. Керамика из нанопорошка диоксида олова: создание и свойства // Наноиндустрия. 2015. № 4. С. 68–71.
Лысенко В.И. Создание и свойства керамики из нанопорошка оксида ниобия // Физика и химия стекла. 2016. Т. 42. № 5. С. 109–112.
Лысенко В.И. Керамика из нанопорошка оксида магния: создание и свойства // Наноиндустрия. 2016. № 4. С. 94–97.
Лысенко В.И. Создание и свойства керамики из нанопорошка оксида вольфрама // Наноиндустрия. 2017. № 3. С. 68–71.
Лысенко В.И. Создание и свойства керамики из нанопорошка оксида кобальта // Стекло и керамика. 2017. № 4. С. 15–16.
Лысенко В.И. Керамики из нанопорошка оксида хрома: создание и свойства // Физика и химия стекла. 2018. Т. 44. № 3. С. 263–266.
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.
Отзывы читателей
