CC BY
36
ISSN 1810-0198 Вестник ТГУ, т. 16, вып.5, 2011
УДК 539 3
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НАНОСТРУКТУРИРОВАННОЙ КЕРАМИКИ
НА ОСНОВЕ СаР2
© А.И. Тюрин, В.В. Шиндяпин, А.М. Купряшкин
Ключевые слова: наноструктурированная керамика; твердость; упругость; фторид; оптическая керамика. В работе рассматриваются физико-механические свойства керамик на основе С'аРг. Исследовано поведение твердости и модуля Юнга в микро- и нанообъеме.
Керамика известна человеку с глубокой древности и, возможно, была первым созданным человеком материалом. Самая ранняя керамика использовалась и 10 тыс. лет назад в эпоху мезолита как примитивная посуда и используется сегодня как теплоизоляционная оболочка современных космических аппаратов. В настоящее время керамика применяется как строительный, художественный и конструкционный материал, который широко используется в различных практических целях. В XX столетии новые керамические материалы были созданы для использования в полупроводниковой индустрии и других областях. С развитием нанотсхнологии в производстве керамики начинают применяться современные достижения таких наук, как физика, химия и биология.
В последнее время одной из наиболее перспективных наноструктурированных керамик является фто-ридная нанокерамика на основе СаР2, которая используется в различных областях техники и медицины. На-ноструктурированные керамики на основе СаР2 находят широкое применение в оптических компонентах мошных лазеров благодаря своей спектральной характеристике, низкому коэффициенту поглощения и показателю преломления [1]. Из-за невысокого показателя преломления изделия из таких керамик могут использоваться без просветляющих покрытий. При нормальных условиях эксплуатации (влажности и температуре) полированные поверхности СаР2 остаются стабильными в течение нескольких лет. Это позволяет использовать этот материал для производства деталей ультрафиолетовой и инфракрасной микроскопии, оптических окон, линз и призм в ультрафиолетовой и инфракрасной спектроскопии, и использовать его в квантовой и силовой оптике, слектрофотометрии и т. д. [2].
Поэтому разработка и получение нанокерамических материалов на основе фторидов для современных фотонных устройств, обладающих высокой лучевой и механической прочностью, а также повышенной оптической однородноегью, обусловливает необходимость исследований оптической фторидной наноструктури-рованной керамики. Для этого необходимо изучение лучевых и механических свойств материала. Поэтому целью работы являлось исследование механической
прочности фторидных наноструктурированных лазерных керамик в зависимости от легирующей примеси и ее концентрации.
В ходе выполнения работ была рассмотрена микроструктура образцов фторидной керамики. Было определено, что средний размер зерен номинально чистой керамики на основе СаР2 составляет 200 мкм, а размер зерен керамики с примесью итербия - 80 мкм. Также было выявлено, что внесенная примесь не распределена равномерно по всей поверхности исследуемого образца, а встречается как отдельные включения.
Проводимые далее исследования физико-механи-ческих свойств материала в нано-, микро- и макро-размерной области, таких как твердость, модуль упругости, выявили ряд областей, в которых твердость остается постоянной, а также размернозависимую область; были определены их примерные границы. Размсрнозависимая область располагается в интервале от 80 до 700 нм, при этом значение величины твердости снижается. Что же касается области меньших глубин (<80 нм), то здесь можно наблюдать незначительное увеличение твердости, хотя утверждать это нельзя по причине больших значений погрешности измерений. При этом область от 700 нм и до 2 мкм можно с увереностью назвать размсрнонезависимой, т. к. в этой области значение твердости остается постоянным для всех исследуемых образцов (рис. 1).
б • <'
Рис. 1. Зависимость твердости Я от глубины отпечатка А для исследуемых монокристаллов и наноструктурированной керамики на основе СаР2
, ГПа
□ ■ CaF 1Л': (3 Ч) • wohcv^ucti-j О • (комни чист) • ropaiuísa • . С|П.У№3'Зжк*#).крыта О - CíF- («очи uter) • ионокр'сга.-™ I - Cif.1 - Y>>F3 (5 va- '/ti ■ иококретш
ll!|
ISSN 1К10-0198 Вестник ТГУ, т. 16, выл.5, 2011
Е, ГПа 15(1 100 SO
0.01
0,1
ш щ % % %
О CüFl-Vlj (J %). чововрясич.!
О .' »-Г jM 'im ч( т : керамика
• CiFJ -YbF3 (J iroiVtj- KtpniBKj
О С«Г2(1!»|«нчягт| - м гимфнсгалл
■ СшП . Yt>P3(AMiui sionoKpm-ra.i i
10 Ли В 100
1Ш
Рнс, 2. Зависимость модуля Юнга от величины прикладываемой нагрузки Р для ряда исследованных материалов
ЛИТЕРАТУРА
]. Grau R.N., Stark W.J. И Chem. Согпппш, 2005 P. 1767-1769. 2, Федоров П.П., Осака В В, Kamee Т.Т.. Орловский Ю В.. Дукеяь-ский К.В., Миронов И.А., Демидеико В.А., Смирнов А.Н Оптическая фтарндная нано керамика И Российские нинотсхнологии 2007 Т. г. № 5-й.
БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогически с кадры инновационной России» на 2009-2013 годы; госконтракт № 14.740.12.0862.
Поступила в редакцию 1 сентября 2011 г.
Надо обратить также внимание на модуль упругости. Модуль упругости остается постоянным па всем интервале исследуемых нагрузок, при пом он остается одинаковым для всех исследуемых материалов и равен примерно 150 ГПа (рис. 2). Это говорит «том, что внесение 3 молярных процентов иттербия не достаточно, чтобы повлиять на величину и характер упругости материала.
Tyurin AX, Shindyapin V.V., Kupryashkin A.M. PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF CERAMICS BASED ON NANOSTRUCTURED CaF,
The article deals with the physical and mechanical properties of ceramics based on CaF,. The behavior of the hardness and Young's modulus of micro- and nanovolumes.
Key words. nano-structured ceramics; hardness; elasticity; Fluoride; optical ceramics.
