Керамоматричные композиты на основе оксида алюминия Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 666.3-16

Д. Н. Протасов*, Р. И. Герасимов, Н. А. Макаров

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская пл., д. 9 * e-mail: [email protected]

КЕРАМОМАТРИЧНЫЕ КОМПОЗИТЫ НА ОСНОВЕ ОКСИДА АЛЮМИНИЯ

В настоящей работе рассматривается получение керамоматричных композиционных материалов в системе «а-Al2O3 - эвтектическая добавка - углеродные нанотрубки». Рассмотрено влияние углеродных нанотрубок и их распределение в материале матрицы на спекание и свойства керамики. Исследовано влияние содержания эвтектической добавки на микроструктуру и процесс спекания. Выявлены основные направления работы для получения композиционных материалов с высокими физико-механическими свойствами.

Ключевые слова: керамический композиционный материал, керамика, оксид алюминия, углеродные нанотрубки, добавки эвтектического состава, корунд.

Несомненно, керамика занимает важное место среди других конструкционных материалов, так как обладает высокими показателями прочности и сохраняет таковые при значительных температурах, что определяет их применение во многих отраслях промышленности. Однако возможность

использования этого вида материала ограничена ввиду ряда недостатков - высокой хрупкости и низких показателей трещиностойкости.

Нивелировать эти недостатки возможно с помощью создания композиционных материалов,

упрочненных, например, популярным армирующим компонентом - углеродными нанотрубками (УНТ), обладающими высокими показателями модуля упругости и прочности.

Цель данной работы состоит в определении параметров технологического процесса получения функционального конструкционного керамического композиционного материала на основе а-А1203, обладающего улучшенными физико-механическими свойствами, такими как механическая прочность, трещиностойкость. Помимо этого, поставлена задача по увеличению энергоэффективности процесса синтеза керамики путем введения добавок эвтектического состава, снижающих температуру спекания.

Керамика на основе а-модификации оксида алюминия (далее корунд) широко распространена и подробно изучена на сегодняшний день. Разработано и опубликовано большое количество работ по получению плотной керамики как иностранными, так и российскими коллегами, например [1, 2]. Методом искрового плазменного спекания иностранными исследователями были получены материалы, обладающие достаточно высокими значениями коэффициента трещиностойкости, на уровне 6,6 МПа-м12 [2]. Кроме того, российскими коллегами синтезирован материал, значение коэффициента трещиностойкости которого близко к 9,0 МПа-м12 [3]. Помимо указанного способа, материалы в системе «корунд - УНТ» можно получать, проводя обжиг в вакууме. Такой метод является менее затратным, чем

высокоэнергетический способ искрового

плазменного спекания. Однако, считается, что получение материала с большим содержанием УНТ данным методом затруднено, так как присутствие в материале нанотрубок препятствует уплотнению.

В качестве исходного сырья использовали гидроксид алюминия, оксиды цинка, кремния и магния классификации не ниже «х.ч.», а так же карбонат кальция. Материал матрицы получали путем смешения гидроксида алюминия с добавкой оксида магния в барабанном смесителе в водной среде. Получившуюся суспензию высушивали при температуре 85 °С и прокаливали при 1400 °С в течение 3 ч. Материал добавки эвтектического состава подготавливался в соответствии с методикой, указанной в [4].

В качестве армирующего компонента использовали многослойные УНТ, полученные в РХТУ

им. Д.И. Менделеева методом осаждения метана на катализаторе при температуре 950-1000 °С. Диаметр нанотрубок варьировался в интервале от 3 до 9 нм; зольность составляла не более 5%. Следует отметить, что использование многослойных нанотрубок является более целесообразным, нежели однослойных, ввиду их большей сохранности. Диспергировались УНТ в ультразвуковой ванне в среде этанола.

Пресс-порошок приготавливали путем смешения всех трех компонентов в шаровой мельнице в среде этанола в течение не менее 8 ч. Полученная суспензия была высушена на воздухе при температуре 70 °С. В качестве временной технологической связки использовали 5 мас. % раствор поливинилового спирта, который удаляли из полуфабриката термическим способом при температуре 600 °С в течение 1 ч. Образцы формовали методом полусухого прессования при давлении 100 МПа.

Обжиг проводили в вакуумной шахтной печи по нескольким режимам с изотермической выдержкой 2 ч при температурах 1500, 1550 и 1600 °С.

Разрежение внутри камеры печи составляло порядка 10-5 Па.

После обжига на образцах измеряли линейную усадку, среднюю плотность, открытую пористость, предел прочности при изгибе и коэффициент трещиностойкости. Данные показатели образцов, обожженных при температуре 1600 °С, сведены в табл. 1.

Следует отметить, что повышение содержания добавки эвтектического состава, образующей жидкую фазу в процессе спекания, уменьшает

открытую пористость, увеличивает величину средней плотности и линейной усадки, что может указывать на интенсификацию и улучшение процесса спекание. Интересным остается тот факт, что присутствие УНТ не только не ухудшает процесс спекания, а, наоборот, позволяет добиться более высокого уровня керамических свойств. В настоящее время синтезирована керамика, обладающая средним коэффициентом интенсивности напряжений в 5,2 МПа-м1/2. Исследования, с целью повышения уровня свойств, будут продолжены.

Таблица 1 - Характеристики материалов в системе «корунд - добавка - УНТ»

Состав Линейная усадка, % Ро, г/см3 По, % Оизг, МПа К1с, МПачм1/2

Корунд - добавка 4 мас. % 19,2 3,49 12,8 210 2,8

Корунд - добавка 5 мас. % 23,0 3,72 0,5 225 3,1

Корунд - добавка 4 мас. % - УНТ 25,0 3,71 0,7 220 4,7

Корунд - добавка 5 мас. % - УНТ 25,3 3,72 0,3 240 5,2

Протасов Дмитрий Николаевич, магистрант 1 курса факультета Технологии неорганических веществ и высокотемпературных материалов РХТУ им. Д.И. Менделеева;

Герасимов Руслан Ильич, аспирант кафедры Химической технологии керамики и огнеупоров РХТУ им. Д. И. Менделеева;

Макаров Николай Александрович, д.т.н., профессор кафедры Химической технологии керамики и огнеупоров РХТУ им. Д.И. Менделеева.

Литература

1.Зараменских К.С. Получение углеродных нанотрубок и армированных керамических композитов: дис. ... к.т.н. М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2012. 166 с.

2.Yamamoto G. Carbon Nanotube Reinforced Alumina Composite Materials // Composites and Their Properties. 2012. V. 5. № 23. P. 483 - 502.

3.Федосова Н.А., Файков П.П., Попова Н.А., Кольцова Э.М., Жариков Е.В. Керамический композиционный материал с углеродными нанотрубками, полученный по технологии искрового плазменного спекания // Стекло и керамика. 2015. № 1. С. 14 - 17.

4.Макаров Н.А. Керамика на основе Al2O3 и системы Al2O3 - ZrO2, модифицированная добавками эвтектических составов: дис. ... д. т. н. М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2011. 394 с.

Protasov Dmitry Nikolaevich*, Gerasimov Ruslan Il ich, MakarovNikolaj Alexandrovich D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia * e-mail: [email protected]

ALUMINA BASED CERAMIC COMPOSITES Abstract

In this research the fabricating of the ceramic matrix composites "alumina - eutectic sintering aid - carbon nanotubes" was studied. The influence of carbon nanotubes and their distribution in the matrix on sintering process and material properties was studied. The impact of eutectic sintering aid content on microstructure and sintering process was researched. The main fields of the future researches with the aim to obtain the material characterized with a very high level of the mechanical properties were find out.

Keywords: ceramic composite, ceramic, alumina, carbon nanotubes, eutectic aids, corundum.