eng
Выпуск #1/2020
В.И.Лысенко
Создание керамики из нанопорошка диоксида циркония методом SPS и ее свойства
Создание керамики из нанопорошка диоксида циркония методом SPS и ее свойства
Просмотры: 2708
DOI: 10.22184/1993-8478.2020.13.1.40.43
С помощью метода электроискрового спекания (SPS) на основе наноразмерного порошка диоксида циркония создана мелкозернистая (порядка 1 мкм), плотная и твердая керамика (с микротвердостью 24 ГПа).
С помощью метода электроискрового спекания (SPS) на основе наноразмерного порошка диоксида циркония создана мелкозернистая (порядка 1 мкм), плотная и твердая керамика (с микротвердостью 24 ГПа).
СОЗДАНИЕ КЕРАМИКИ
ИЗ НАНОПОРОШКА ДИОКСИДА ЦИРКОНИЯ МЕТОДОМ SPS И ЕЕ СВОЙСТВА
PRODUCTION AND PROPERTIES
OF CERAMICS PREPARED FROM DIOXIDE
ZIRCONIUM NANOPOWDER BY SPS METHOD
В.И.Лысенко, вед. науч. сотр., д.ф.-м.н., (ORCID: 0000-0003-0209-6299), Институт теоретической и прикладной механики им. С.А.Христиановича СО РАН, г. Новосибирск / vl@itam.nsc.ru
V.I. Lysenko, Leading Researcher, Doctor of Sc. (Physics and Mathematics), (ORCID: 0000-0003-0209-6299), Khristianovich Institute of Theoretical and Applied Mechanics SB RAS, Novosibirsk
DOI: 10.22184/1993-8478.2020.13.1.40.43
Получено: 06.02.2020 г.
С помощью метода электроискрового спекания (SPS) на основе наноразмерного порошка диоксида циркония создана мелкозернистая (порядка 1 мкм), плотная и твердая керамика (с микротвердостью 24 ГПа).
Dense and solid fine-grained ceramics (microhardness of 24 GPa and grain size of 1µ) based on nanoscale zirconium 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 нанотехнологий является создание керамики, получаемой из наноразмерных порошков, в которой удается сохранить очень малые размеры зерна. Предполагается, что нанокерамика будет обладать не только свойствами керамики, полученной из крупнозернистых материалов, но и некоторыми особыми (например, сверхпластичностью [2]).
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 других, в том числе автора [7–19].
В данной работе исследуется керамика, созданная из нанопорошка диоксида циркония.
Диоксид циркония применяется как компонент керамики, композитов, стекол, эмалей, абразивных порошков, высокотемпературных электродов (в энергетических установках).
Его также используют в качестве подложек и диэлектических слоев в электронных приборах, как противоотражательные покрытия оптических приборов, защитные покрытия, износостойкие покрытия деталей приборов, огнеупорный материал для авиационных и ракетных двигателей, как компонент многослойных покрытий лазерных зеркал и разделителей лучей, исходное сырье и промежуточный продукт при получении Zr или его соединений. Применяется в качестве керамических пигментов и изоляционных материалов, в функциональной радиокерамике, при производстве катализаторов в нефтехимии и оргсинтезе, в ювелирных изделиях, в пьезоэлектрических элементах. Используется при легировании Al-Mg-сплавов для получения конструкционных материалов в аэрокосмической, авиационной, оборонной промышленности.
Диоксид циркония обладает уникальным сочетанием разнородных свойств: высокой прочностью, трещино-, износо- и термостойкостью, биологической совместимостью и т.д.
Целью настоящей работы было создание с помощью метода SPS из нанодисперсного порошка диоксида циркония плотной и твердой керамики с мелкозернистой (порядка микрона) структурой.
ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ
В данных исследованиях использовался нанопорошок диоксида циркония ZrO2, созданный российской фирмой "ПлазмоТерм" (здесь порошки синтезируются в потоке термической плазмы, генерируемой в электрическом разряде). На рис.1 приведена электронная микроскопия этого нанопорошка.
Средний размер частиц исходного порошка составлял d ≈ 40–70 нм, а удельная поверхность была S ≈ 15–25 м2/г.
Порошок обладал следующими свойствами: CAS номер 1314-23-4, чистота 99,5%, 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 заранее спрессованный порошок (в данных экспериментах сила тока достигала 2 кА при поданном напряжении 3–4 В). 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. Прессование проводилось при максимальной температуре 1 500 ⁰С и давлении 40 МПа. Скорость нагрева была 100 ⁰С/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
Диаметр и толщина полученных образцов керамики составляли 9,6 и 3,2 мм.
Как показала электронная сканирующая микроскопия скола керамики, размер зерен полученной керамики порядка 1 мкм, то есть с помощью метода SPS создана мелкозернистая плотная керамика.
Микротвердость полученной керамики оказалась весьма высокой – Hv = 24 ГПа. Для сравнения, микротвердость керамики, полученной нами в работе [20] традиционным способом (при последовательных прессовании и спекании) из нанодисперсного порошка ZrO2 с размером частиц 20 нм при максимальной температуре спекания 1 500 ⁰С, была 14 ГПа, а микротвердость крупнодисперсной керамики, полученной традиционным методом из крупнодисперсного порошка ZrO2 с размером частиц более 4 000 нм, оказалась равной лишь 4,8 ГПа.
Таким образом, с помощью метода электроискрового спекания (SPS) на основе наноразмерного порошка диоксида циркония создана мелкозернистая (порядка 1 мкм), плотная, прочная керамика с микротвердостью 24 ГПа.
Автор выражает благодарность А.Г.Анисимову, В.И.Мали и В.А.Емелькину за помощь в работе.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
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 Всероссийской конференции, 9–13 октября 2000 г., Екатеринбург. – М.: МИФИ, 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.
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. Серия "Физика". 2013. Т. 8. Вып. 1. С. 107–114.
Лысенко В.И., Горев В.Н., Литвиненко Ю.А., Бардаханов С.П. Получение и свойства керамики из нанопорошка оксида железа // Вестник НГУ. Серия "Физика". 2013. Т. 8. Вып. 1. С. 99–103.
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.
Лысенко В.И. Керамика из нанопорошка диоксида титана: создание методом SPS и свойства // Наноиндустрия. 2019. Т. 12. № 5(91). С. 246–249.
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.
ИЗ НАНОПОРОШКА ДИОКСИДА ЦИРКОНИЯ МЕТОДОМ SPS И ЕЕ СВОЙСТВА
PRODUCTION AND PROPERTIES
OF CERAMICS PREPARED FROM DIOXIDE
ZIRCONIUM NANOPOWDER BY SPS METHOD
В.И.Лысенко, вед. науч. сотр., д.ф.-м.н., (ORCID: 0000-0003-0209-6299), Институт теоретической и прикладной механики им. С.А.Христиановича СО РАН, г. Новосибирск / vl@itam.nsc.ru
V.I. Lysenko, Leading Researcher, Doctor of Sc. (Physics and Mathematics), (ORCID: 0000-0003-0209-6299), Khristianovich Institute of Theoretical and Applied Mechanics SB RAS, Novosibirsk
DOI: 10.22184/1993-8478.2020.13.1.40.43
Получено: 06.02.2020 г.
С помощью метода электроискрового спекания (SPS) на основе наноразмерного порошка диоксида циркония создана мелкозернистая (порядка 1 мкм), плотная и твердая керамика (с микротвердостью 24 ГПа).
Dense and solid fine-grained ceramics (microhardness of 24 GPa and grain size of 1µ) based on nanoscale zirconium 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 нанотехнологий является создание керамики, получаемой из наноразмерных порошков, в которой удается сохранить очень малые размеры зерна. Предполагается, что нанокерамика будет обладать не только свойствами керамики, полученной из крупнозернистых материалов, но и некоторыми особыми (например, сверхпластичностью [2]).
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 других, в том числе автора [7–19].
В данной работе исследуется керамика, созданная из нанопорошка диоксида циркония.
Диоксид циркония применяется как компонент керамики, композитов, стекол, эмалей, абразивных порошков, высокотемпературных электродов (в энергетических установках).
Его также используют в качестве подложек и диэлектических слоев в электронных приборах, как противоотражательные покрытия оптических приборов, защитные покрытия, износостойкие покрытия деталей приборов, огнеупорный материал для авиационных и ракетных двигателей, как компонент многослойных покрытий лазерных зеркал и разделителей лучей, исходное сырье и промежуточный продукт при получении Zr или его соединений. Применяется в качестве керамических пигментов и изоляционных материалов, в функциональной радиокерамике, при производстве катализаторов в нефтехимии и оргсинтезе, в ювелирных изделиях, в пьезоэлектрических элементах. Используется при легировании Al-Mg-сплавов для получения конструкционных материалов в аэрокосмической, авиационной, оборонной промышленности.
Диоксид циркония обладает уникальным сочетанием разнородных свойств: высокой прочностью, трещино-, износо- и термостойкостью, биологической совместимостью и т.д.
Целью настоящей работы было создание с помощью метода SPS из нанодисперсного порошка диоксида циркония плотной и твердой керамики с мелкозернистой (порядка микрона) структурой.
ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ
В данных исследованиях использовался нанопорошок диоксида циркония ZrO2, созданный российской фирмой "ПлазмоТерм" (здесь порошки синтезируются в потоке термической плазмы, генерируемой в электрическом разряде). На рис.1 приведена электронная микроскопия этого нанопорошка.
Средний размер частиц исходного порошка составлял d ≈ 40–70 нм, а удельная поверхность была S ≈ 15–25 м2/г.
Порошок обладал следующими свойствами: CAS номер 1314-23-4, чистота 99,5%, 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 заранее спрессованный порошок (в данных экспериментах сила тока достигала 2 кА при поданном напряжении 3–4 В). 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. Прессование проводилось при максимальной температуре 1 500 ⁰С и давлении 40 МПа. Скорость нагрева была 100 ⁰С/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
Диаметр и толщина полученных образцов керамики составляли 9,6 и 3,2 мм.
Как показала электронная сканирующая микроскопия скола керамики, размер зерен полученной керамики порядка 1 мкм, то есть с помощью метода SPS создана мелкозернистая плотная керамика.
Микротвердость полученной керамики оказалась весьма высокой – Hv = 24 ГПа. Для сравнения, микротвердость керамики, полученной нами в работе [20] традиционным способом (при последовательных прессовании и спекании) из нанодисперсного порошка ZrO2 с размером частиц 20 нм при максимальной температуре спекания 1 500 ⁰С, была 14 ГПа, а микротвердость крупнодисперсной керамики, полученной традиционным методом из крупнодисперсного порошка ZrO2 с размером частиц более 4 000 нм, оказалась равной лишь 4,8 ГПа.
Таким образом, с помощью метода электроискрового спекания (SPS) на основе наноразмерного порошка диоксида циркония создана мелкозернистая (порядка 1 мкм), плотная, прочная керамика с микротвердостью 24 ГПа.
Автор выражает благодарность А.Г.Анисимову, В.И.Мали и В.А.Емелькину за помощь в работе.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
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 Всероссийской конференции, 9–13 октября 2000 г., Екатеринбург. – М.: МИФИ, 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.
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. Серия "Физика". 2013. Т. 8. Вып. 1. С. 107–114.
Лысенко В.И., Горев В.Н., Литвиненко Ю.А., Бардаханов С.П. Получение и свойства керамики из нанопорошка оксида железа // Вестник НГУ. Серия "Физика". 2013. Т. 8. Вып. 1. С. 99–103.
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.
Лысенко В.И. Керамика из нанопорошка диоксида титана: создание методом SPS и свойства // Наноиндустрия. 2019. Т. 12. № 5(91). С. 246–249.
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.
Отзывы читателей
