eng
Выпуск #3-4/2023
В.И.Лысенко
СОЗДАНИЕ ТВЕРДОЙ КЕРАМИКИ ИЗ НАНОПОРОШКА ОКСИДА ИТТРИЯ С ПОМОЩЬЮ SPS-МЕТОДА
СОЗДАНИЕ ТВЕРДОЙ КЕРАМИКИ ИЗ НАНОПОРОШКА ОКСИДА ИТТРИЯ С ПОМОЩЬЮ SPS-МЕТОДА
Просмотры: 1036
DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.3-4.204.207
С помощью метода электроискрового спекания (ЭИС) на основе наноразмерного порошка оксида иттрия создана мелкозернистая (порядка 1 мкм), плотная, прочная керамика с микротвердостью вплоть до 18 ГПа.
С помощью метода электроискрового спекания (ЭИС) на основе наноразмерного порошка оксида иттрия создана мелкозернистая (порядка 1 мкм), плотная, прочная керамика с микротвердостью вплоть до 18 ГПа.
Теги: ceramics nanopowder spark plasma sintering yttrium oxide керамика нанопорошок оксид иттрия электроискровое спекание
Получено: 6.04.2023 г. | Принято: 10.04.2023 г. | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.3-4.204.207
Научная статья
СОЗДАНИЕ ТВЕРДОЙ КЕРАМИКИ ИЗ НАНОПОРОШКА ОКСИДА ИТТРИЯ С ПОМОЩЬЮ SPS-МЕТОДА
В.И.Лысенко1, д.ф.-м.н., вед. науч. сотр., ORCID: 0000-0003-0209-6299 / vl@itam.nsc.ru
Аннотация. С помощью метода электроискрового спекания (ЭИС) на основе наноразмерного порошка оксида иттрия создана мелкозернистая (порядка 1 мкм), плотная, прочная керамика с микротвердостью вплоть до 18 ГПа.
Ключевые слова: электроискровое спекание, нанопорошок, керамика, оксид иттрия
Для цитирования: В.И. Лысенко. Создание твердой керамики из нанопорошка оксида иттрия с помощью SPS-метода. НАНОИНДУСТРИЯ. 2023. Т. 16, № 3–4. С. 204–207. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.3-4.204.207.
Received: 6.04.2023 | Accepted: 10.04.2023 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.3-4.204.207
Original paper
PREPARING OF SOLID CERAMICS FROM YTTRIUM OXIDE NANOPOWDER BY SPS METHOD
V.I.Lysenko1, Doct. of Sci. (Physics and Mathematics), Leading Researcher, ORCID: 0000-0003-0209-6299 /
vl@itam.nsc.ru
Abstract. Strong fine-grained ceramics (about 1 μm) based on yttrium oxide nanopowder was prepared using spark plasma sintering (SPS) method. It has microhardness of 2.1 GPa.
Keywords: spark plasma sintering, nanopowder, ceramics, yttrium oxide
For citation: V.I. Lysenko. Preparing of solid ceramics from yttrium oxide nanopowder by SPS method. NANOINDUSTRY. 2023. V. 16, no. 3–4. PP. 204–207. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.3-4.204.207.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время уже достаточно хорошо изучено, что наблюдаемые и измеряемые отличия между нанокристаллическими и крупнозернистыми материалами в упругих, демпфирующих, прочностных, тепловых, электрических, магнитных, диффузионных и прочих свойствах обусловлены не только малым размером зерен в таких нанокристаллических материалах, но и особым состоянием поверхности получаемых материалов 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 уникальными характеристиками (например, сверхпластичностью [2]).
Известно, что чем меньше размер зерен керамики и чем больше развита зернистая структура, тем прочнее и тверже керамика. Вместе с тем 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 [7–10].
В работе исследуется керамика, созданная из нанопорошка оксида иттрия.
Сфера применения материалов на основе оксидов иттрия и других редкоземельных элементов постоянно расширяется, причем в направлениях, определяющих технический прогресс (сплавы с уникальными свойствами, ядерная энергетика, электроника и др.).
Целью настоящей работы было создание с помощью метода SPS из нанодисперсного порошка оксида иттрия плотной и твердой керамики с мелкозернистой (порядка микрона) структурой.
ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ
В качестве исходного использовался порошок оксида иттрия со средним размером частиц 32 нм и химической чистотой 99%, получаемый испарением сырьевых материалов на ускорителе электронов с последующей конденсацией вещества в виде нанодисперсных частиц [11].
На рис.1 представлены результаты просвечивающей электронной микроскопии порошка оксида иттрия.
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 1400 °С и давлении 40 МПа. Скорость нагрева обычно была 100°/мин, выдержки при максимальной температуре не было.
Микротвердость всех образцов керамики исследовалась с помощью микротвердомера ПМТ-3.
На электронном сканирующем микроскопе ZEISS EVO-50WDS-XVP-BU ИТПМ СО РАН исследовались сколы керамики после напыления на них слоя золота.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Диаметр и толщина полученных образцов керамики составляли 9,6 и 3,2 мм.
На рис.2 приведена электронная микроскопия скола керамики. Видно, что размер зерен полученной керамики порядка 1 мкм, то есть с помощью метода SPS создана мелкозернистая плотная керамика.
Микротвердость полученной керамики оказалась достаточно высокой – Hv = 18,1 ГПа. Для сравнения, микротвердость керамики, полученной нами в работе [12] традиционным способом (при последовательных прессовании и спекании) из этого же нанопорошка при максимальной температуре спекания 1500 °С, была равна 11 ГПа.
Таким образом, с помощью метода электроискрового спекания (МЭС) на основе наноразмерного порошка оксида иттрия создана мелкозернистая (порядка 1 мкм), плотная, прочная керамика с микротвердостью вплоть до 18 ГПа.
БЛАГОДАРНОСТИ
Автор выражает благодарность А.Г.Анисимову, В.И.Мали, В.А.Емелькину и Г.А.Позднякову за помощь в работе.
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
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.
Xinzhang Z., 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. PP. 353–359.
Анциферов В.Н., Перельман В.Е. Механика процессов прессования порошковых и композиционных материалов. М., 2001. С. 175–202.
Физикохимия ультрадисперсных систем (ред. В.Ф.Петрунин). 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. Создание и свойства керамики из нанопорошка оксида ниобия // Физика и химия стекла. 2016. Т.42, № 5. С.109–112.
Лысенко В.И. Создание и свойства керамики из нанопорошка оксида кобальта // Стекло и керамика. 2017. No. 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 оксида молибдена: свойства и создание SPS-методом // Наноиндустрия. 2022. Т. 15, No. 1. PP. 34–37. https://doi.org/ 10.22184/1993-8578.2022.15.1.34.37
Лукашов В.П., Бардаханов С.П., Салимов Р.А., Корчагин А.И., Фадеев С.Н., Лаврухин А.В. Способ получения ультрадисперсной двуокиси кремния, устройство для его осуществления и ультрадисперсная двуокись кремния. Патент РФ № 2067077. 1996. Бюл. № 27.
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.
Научная статья
СОЗДАНИЕ ТВЕРДОЙ КЕРАМИКИ ИЗ НАНОПОРОШКА ОКСИДА ИТТРИЯ С ПОМОЩЬЮ SPS-МЕТОДА
В.И.Лысенко1, д.ф.-м.н., вед. науч. сотр., ORCID: 0000-0003-0209-6299 / vl@itam.nsc.ru
Аннотация. С помощью метода электроискрового спекания (ЭИС) на основе наноразмерного порошка оксида иттрия создана мелкозернистая (порядка 1 мкм), плотная, прочная керамика с микротвердостью вплоть до 18 ГПа.
Ключевые слова: электроискровое спекание, нанопорошок, керамика, оксид иттрия
Для цитирования: В.И. Лысенко. Создание твердой керамики из нанопорошка оксида иттрия с помощью SPS-метода. НАНОИНДУСТРИЯ. 2023. Т. 16, № 3–4. С. 204–207. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.3-4.204.207.
Received: 6.04.2023 | Accepted: 10.04.2023 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.3-4.204.207
Original paper
PREPARING OF SOLID CERAMICS FROM YTTRIUM OXIDE NANOPOWDER BY SPS METHOD
V.I.Lysenko1, Doct. of Sci. (Physics and Mathematics), Leading Researcher, ORCID: 0000-0003-0209-6299 /
vl@itam.nsc.ru
Abstract. Strong fine-grained ceramics (about 1 μm) based on yttrium oxide nanopowder was prepared using spark plasma sintering (SPS) method. It has microhardness of 2.1 GPa.
Keywords: spark plasma sintering, nanopowder, ceramics, yttrium oxide
For citation: V.I. Lysenko. Preparing of solid ceramics from yttrium oxide nanopowder by SPS method. NANOINDUSTRY. 2023. V. 16, no. 3–4. PP. 204–207. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.3-4.204.207.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время уже достаточно хорошо изучено, что наблюдаемые и измеряемые отличия между нанокристаллическими и крупнозернистыми материалами в упругих, демпфирующих, прочностных, тепловых, электрических, магнитных, диффузионных и прочих свойствах обусловлены не только малым размером зерен в таких нанокристаллических материалах, но и особым состоянием поверхности получаемых материалов 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 уникальными характеристиками (например, сверхпластичностью [2]).
Известно, что чем меньше размер зерен керамики и чем больше развита зернистая структура, тем прочнее и тверже керамика. Вместе с тем 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 [7–10].
В работе исследуется керамика, созданная из нанопорошка оксида иттрия.
Сфера применения материалов на основе оксидов иттрия и других редкоземельных элементов постоянно расширяется, причем в направлениях, определяющих технический прогресс (сплавы с уникальными свойствами, ядерная энергетика, электроника и др.).
Целью настоящей работы было создание с помощью метода SPS из нанодисперсного порошка оксида иттрия плотной и твердой керамики с мелкозернистой (порядка микрона) структурой.
ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ
В качестве исходного использовался порошок оксида иттрия со средним размером частиц 32 нм и химической чистотой 99%, получаемый испарением сырьевых материалов на ускорителе электронов с последующей конденсацией вещества в виде нанодисперсных частиц [11].
На рис.1 представлены результаты просвечивающей электронной микроскопии порошка оксида иттрия.
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 1400 °С и давлении 40 МПа. Скорость нагрева обычно была 100°/мин, выдержки при максимальной температуре не было.
Микротвердость всех образцов керамики исследовалась с помощью микротвердомера ПМТ-3.
На электронном сканирующем микроскопе ZEISS EVO-50WDS-XVP-BU ИТПМ СО РАН исследовались сколы керамики после напыления на них слоя золота.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Диаметр и толщина полученных образцов керамики составляли 9,6 и 3,2 мм.
На рис.2 приведена электронная микроскопия скола керамики. Видно, что размер зерен полученной керамики порядка 1 мкм, то есть с помощью метода SPS создана мелкозернистая плотная керамика.
Микротвердость полученной керамики оказалась достаточно высокой – Hv = 18,1 ГПа. Для сравнения, микротвердость керамики, полученной нами в работе [12] традиционным способом (при последовательных прессовании и спекании) из этого же нанопорошка при максимальной температуре спекания 1500 °С, была равна 11 ГПа.
Таким образом, с помощью метода электроискрового спекания (МЭС) на основе наноразмерного порошка оксида иттрия создана мелкозернистая (порядка 1 мкм), плотная, прочная керамика с микротвердостью вплоть до 18 ГПа.
БЛАГОДАРНОСТИ
Автор выражает благодарность А.Г.Анисимову, В.И.Мали, В.А.Емелькину и Г.А.Позднякову за помощь в работе.
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
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.
Xinzhang Z., 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. PP. 353–359.
Анциферов В.Н., Перельман В.Е. Механика процессов прессования порошковых и композиционных материалов. М., 2001. С. 175–202.
Физикохимия ультрадисперсных систем (ред. В.Ф.Петрунин). 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. Создание и свойства керамики из нанопорошка оксида ниобия // Физика и химия стекла. 2016. Т.42, № 5. С.109–112.
Лысенко В.И. Создание и свойства керамики из нанопорошка оксида кобальта // Стекло и керамика. 2017. No. 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 оксида молибдена: свойства и создание SPS-методом // Наноиндустрия. 2022. Т. 15, No. 1. PP. 34–37. https://doi.org/ 10.22184/1993-8578.2022.15.1.34.37
Лукашов В.П., Бардаханов С.П., Салимов Р.А., Корчагин А.И., Фадеев С.Н., Лаврухин А.В. Способ получения ультрадисперсной двуокиси кремния, устройство для его осуществления и ультрадисперсная двуокись кремния. Патент РФ № 2067077. 1996. Бюл. № 27.
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.
Отзывы читателей
