CC BY
76
УДК 666.9-16
Забелин Д.А, Чайникова А.С., Щеголева Н.Е., Игнатьева Е.С., Голубев Н.В., Качаев А.А.
СИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ КЕРАМИКИ НА ОСНОВЕ ОКСИНИТРИДА АЛЮМИНИЯ
Забелин Денис Александрович, студент 4 курса факультета технологии неорганических веществ и высокотемпературных материалов zabelin2@mail.ru;
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
Чайникова Анна Сергеевна, к.т.н., начальник сектора лаборатории;
Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов, Москва, Россия; Щеголева Наталья Евгеньевна, к.т.н., начальник сектора лаборатории;
Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов, Москва, Россия; Игнатьева Елена Сергеевна, к.х.н., ассистент кафедры химической технологии стекла и ситаллов; Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия Голубев Никита Владиславович, к.х.н., доцент кафедры химической технологии стекла и ситаллов; Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия Качаев Артём Алексеевич, ведущий инженер;
Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов, Москва, Россия.
Синтезирована керамика на основе оксинитрида алюминия с применением метода искрового плазменного спекания. Изучено влияние спекающей добавки Y2O3 и условий синтеза керамики на ее фазовый состав и физико-механические свойства.
Ключевые слова: оксинитрид алюминия, искровое плазменное спекание, микротвердость, трещиностойкость
SYNTHESIS AND STUDY OF CERAMICS BASED ON ALUMINUM OXINITRIDE
Zabelin D.A., Chaynikova A.S.*, Shchegoleva N.E., Ignat'eva E.S., Golubev N.V., Kachaev A.A.* D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia *All-Russian institute of aviation materials, Moscow, Russia
Ceramics based on aluminum oxynitride was synthesized by spark plasma sintering method. Influence of sintering additive Y2O3 and the conditions of ceramics synthesis on its phase composition, physical and mechanical properties were studied. Key words: aluminum oxynitride, spark plasma sintering, microhardness, fracture toughness
Прозрачная керамика на основе оксинитрида алюминия демонстрирует высокие показатели прочности, твердости, а также абразиво- и влагостойкости. В таблице 1 представлены некоторые физико-механические свойств АЮК в сравнении другими оптически прозрачными материалами.
Из таблицы видно, что керамика на основе АЮК сопоставима с другими поликристаллическими керамическими материалами по плотности, а по
значениям механических свойств (модуль упругости, микротвердость, прочность при изгибе) превышает их. Кроме того, оптические свойства АЮК близки к таковым для монокристаллического сапфира. Диапазон пропускания этой керамики составляет 0,2 - 6,0 мкм [2]. Уникальное сочетание механических и оптических свойств делает АЮК перспективным для изготовления окон различного назначения, прозрачных в видимой и ИК-области, а также для производства прозрачной брони.
Таблица 1-Значения физико-механических свойств некоторых оптически прозрачных материалов [1]
^\___Материал Свойство Оксинитрид алюминия (Al23O27N5) Плавленный кварц (SiO2) Сапфир (A2O3) Шпинель (MgAbO4) Оксид магния (MgO) Сульфид цинка (ZnS) Оксид иттрия (Y2O3)
Плотность, г/см3 3,70 2,50 3,98 3,59 3,58 4,08 5,03
Модуль Юнга, ГПа 317 73 420 199 245 74 179
Коэффициент Пуассона 0,24 0,17 0,22 0,26 0,18 0,30 0,23
Предел прочности при изгибе, МПа 379 110 689 48 7 62 55
Микротвердость по Кнупу, ГПа 18,0 4,5 22,0 15,0 6,0 2,5 7,0
Несмотря на то, что за рубежом AlON выпускается в промышленных масштабах компанией Surmet (США), в России ведутся, главным образом, лишь разработки. Традиционные методы синтеза оксинитрида алюминия (спекание без приложения давления, горячее прессование, горячее изостатическое прессование и др.) требуют использования высоких температур (до 1950-1980 °С) и продолжительных обработок (до 18 ч). В связи с этим проведение исследований в области разработки энергоэффективных методов получения прозрачной керамики на основе AlON остаются актуальными.
Одним из способов снижения температуры синтеза керамических материалов из оксинитрида алюминия является введение в них добавок, приводящих к образованию жидкой фазы в процессе их спекания. Согласно данным литературы в качестве таких добавок для AlON используются Y2O3 или La2O3. Показано, что наибольшему уплотнению (относительная плотность 99,2%) способствует введение Y2O3 в количестве 0,6 мас.% [3].
Другой способ повышения
энергоэффективности синтеза AlON -применение метода искрового плазменного спекания (ИПС). Он заключается в создании между частицами порошкового материала искровой плазмы путем прохождения импульса постоянного тока непосредственно через заготовку, что позволяет достигать высоких скоростей нагрева и охлаждения (до 600°С/мин) и 100%-ного уплотнения заготовки при более низких температурах и временах обработки, чем традиционный обжиг или горячее прессование. Все это делает ИПС экономически выгодной технологией, которой в последние годы посвящено значительное количество работ. Однако большинство исследований проводились на образцах, диаметр которых не превышает 20 мм, тогда как больший интерес представляет получение крупногабаритных изделий.
Таким образом, целью данной работы являлся синтез образцов керамики на основе оксинитрида алюминия диаметром 60 мм методом ИПС и изучение влияния Y2O3 и условий синтеза на фазовый состав и физико-механические свойства полученной керамики.
Исходными компонентами для получения керамики служили порошки AlN, a-Al2O3 и Y2O3. Изучение фракционного состава которых проводили на лазерном анализаторе частиц «Анализетте 22» Mikro Tec/XT (Fritsch) в блоке мокрого диспергирования. Средний размер частиц составил 1, 0,3 и 0,2 мкм для AlN, a-Al2O3 и Y2O3, соответственно. Исходные компоненты смешивали в соотношении, которое соответствует стехиометрическому составу AlON согласно диаграмме состояния AlN-Al2O3 [4]. В качестве спекающей добавки вводили
Y2O3, в количестве 0,6 мас.%. Для сравнения была получена керамика на основе оксинитрида алюминия без спекающей добавки. Порошки перемешивали с применением ультразвука в течение 1 ч и подвергали ИПС на установке KCE FCT H-HP D 25-SD при температурах 1600 и 1700°С с продолжительность выдержки 1 ч и давлении 50 МПа. Диаметр полученных образцов составил 60 мм. Фазовый состав порошков исследован с помощью рентгенофазового анализа на дифрактометре D2 Phaser (Bruker) с использованием CuKa -излучения и никелевого фильтра на образцах в виде пластин. Идентификацию кристаллических фаз проводили путем сравнения относительных интенсивностей брэгговских отражений на дифракционной кривой и соответствующих им межплоскостных расстояний с данными электронного каталога дифрактограмм. Плотность измеряли методом гидростатического взвешивания. Определение трещиностойкости и микротвердости осуществляли на приборе Tester HV-1000B с использованием нагрузки на индентор 1000 г, ударную вязкость измеряли с помощью маятникого копра фирмы Zwick, а предел прочности при четырехточечном изгибе - универсальной высокотемпературной испытательной машины Zwick.
Данные рентгенофазового анализа (рис. 1) показали, что независимо от содержания Y2O3 и температуры ИПС, основной фазой в синтезированных образцах является оксинитрид алюминия (ICDD PDF-2 №01-080-2173). Наличие слабых брегговских отражений может быть обусловлено остаточными фазами Al2O3, Y2O3 или AlN, а также образованием иттрий алюминиевого граната. Введение Y2O3 приводит к увеличению содержания оксинитрида алюминия в образцах, о чем свидетельствуют более интенсивные пики на рентгенограммах (рис. 1). Полученные результаты согласуются с данными работы [3], в которой показано, что Y2O3 способствует кристаллизации AlON.
Результаты измерения физико-механических свойств синтезированных образцов
представлены в таблице 2. Видно, что образцы, содержащие спекающую добавку Y2O3, характеризуются меньшей открытой
пористостью (По), более высокой кажущейся и
относительной плотностью (Ркаж. и Ротн.,
соответственно), а также трещиностойкостью (Kic), что согласуется с данными литературы [3]. При этом повышение температуры обработки керамики до 1700°С приводит к снижению значений последних характеристик. Вероятно, это может быть обусловлено большим размером зерен оксинитрида алюминия, образовавшихся в процессе ИПС при более высоких температурах. Микротвердость по Виккерсу (HV) всех образцов одинакова и не зависит от их состава и условий синтеза.
010
010
010
20, град.
Рисунок 1. Рентгенограммы пластин синтезированной керамики: а - образец №3; б - образец №2; в - образец №4
Образцы, не содержащие Y2O3, растрескивались при охлаждении, что связано с возникновением остаточных напряжений в материалах вследствие высокой скорости их охлаждения при ИПС. При изготовлении изделий небольших размеров величина напряжений мала, тогда как увеличение габаритов приводит к росту напряжений вплоть до значений, превышающих предел прочности материала. Оптимизация режима охлаждения керамики позволит в дальнейшем определить ее прочность при изгибе (оизг.) и ударную вязкость (аН).
Таким образом, в результате проделанной работы синтезирована керамика на основе оксинитрида алюминия с применением метода ИПС. Установлено, что введение Y2O3 способствует снижению температуры спекания, увеличению содержания оксинитрида алюминия и значений трещиностойкости. Повышение температуры ИПС с 1600 до 1700°С приводит к снижению относительной плотности и деградации свойств керамики. Показано, что метод ИПС позволяет получить
крупногабаритные образцы АЮК (диаметром 60 мм) только в присутствии спекающей добавки Y2O3.
300-
250
200-
150
100 -
50-
300
250
200
150-
100-
50-
300-
250
200-
150
100-
50
Таблица 2 - Физико-механические свойства синтезированных образцов керамики в сравнении с данными литературы
№ образца Содержание Y2O3, мас.% Т (ИПС), °С По, % pкаж, г/см3 Ротн % К1& МПа-м1/2 Hv, ГПа ан, Дж/мм2 ^из^ МПа
1 0 1600 0,2 3,64 98,4 3,6 17 - -
2 0,6 0,1 3,67 99,2 3,7 17 2 160
3 0 1700 0,8 3,61 97,6 3,5 17 - -
4 0,6 0,1 3,66 98,9 3,5 17 2 100
Данные работы [3] 0,6 1600 - - 99,2 3,7 17 - -
Список литературы
1. http://www.surmet.com/technology/alon-optical-ceramics/index.php (Официальный сайт компании Surmet)
2. Hartnett T. M. et al. Optical properties of AlON (aluminum oxynitride) //Infrared Physics & Technology. - 1998. - Т. 39. - №. 4. - С. 203-211.
3. Li X., Luo J., Zhou Y. Spark plasma sintering behavior of AlON ceramics doped with different concentrations of Y2O3 //Journal of the European Ceramic Society. - 2015. - T. 35. - №. 7. - C. 2027-2032.
4. McCauley J. W. et al. AlON: a brief history of its emergence and evolution //Journal of the European Ceramic Society. - 2009. - T. 29. - №. 2. - C. 223236.
