CC BY
107
УДК 539.3
ОСОБЕННОСТИ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ОКСИДНЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ КОМПОЗИТОВ С УГЛЕРОДНЫМИ НАНОТРУБКАМИ
© В.В. Коренков, Р.А. Столяров
НОЦ «Нанотехнологии и наноматериалы» Тамбовского государственного университета им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Россия, e-mail: korenkov@tsu.tmb.ru
Ключевые слова: оксидная керамика; глинозем; оксид циркония; нанокомпозит, углеродные нанотрубки; трансформационное упрочнение.
Керамические композиты Л1203 (матрица) - 2Ю2 (армирующий элемент) должны сочетать высокую твердость первого с пластичностью второго. Однако добиться требуемого сочетания в наношкале не удается. В работе рассматривается вариант добавки углеродных нанотрубок в состав композита для дополнительного увеличения сопротивления разрушению.
Оксидные керамики, такие как 7г02 и А1203, характеризуются достаточно высокой твердостью и сопротивлением абразивному износу, что определяет перспективы их широкого использования в качестве износоустойчивых материалов различного назначения. Вместе с тем преимущественно ковалентный характер связей в этих материалах определяет их низкую пластичность - при деформировании они разрушаются, практически минуя стадию пластического течения. Это обстоятельство способствует поиску путей повышения пластичности керамик без ущерба для их прочности. Одним из таких путей является создание керамических композитов.
В частности, глинозем А1203 имеет твердость Н ~ 25 ГПа, что многократно превышает твердость любых конструкционных сталей, однако его вязкость разрушения примерно в столько же раз ниже, чем у сталей. Другая известная оксидная керамика 7г02 после легирования оксидами редкоземельных металлов (иттрий, церий, лантан и др.) достигает невиданной для керамик вязкости разрушения ~ 10...15 МПа-м1/2. Это достигается за счет индуцируемого высокими механическими напряжениями в вершине зарождающейся трещины фазового перехода от исходной метастабильной тетрагональной структуры к стабильной моноклинной. Моноклинная фаза менее плотно упакована, чем тетрагональная, и за счет увеличения объема новой фазы в зоне деформации происходит сброс напряжений ниже критического уровня зарождения трещины. Однако этот фазовый переход уже необратим, и при повторном деформировании до разрушения механизм трансформационного упрочнения уже не срабатывает.
Таким образом, если в матрице глинозема растворить 5...10 % (по весу) диоксида циркония, то можно получить керамический композит, который будет сочетать высокую твердость глинозема с пластичностью «керамической стали» из диоксида циркония. В данной работе представлены результаты механических испытаний керамических композитов А1203 - 7г02 с различным содержанием циркониевой керамики методом
динамического наноидентирования алмазным инденто-ром Берковича с помощью прибора Капоіпііепіег 0200. Результаты показывают существенную зависимость износоустойчивости данного композита от количества циркониевой фазы, внедренной в матрицу глинозема. Монотонного возрастания вязкости разрушения композита с увеличением содержания 7Ю2 не наблюдается. Более того, в наношкале (при глубине внедрения ин-дентора менее 100 нм) на диаграммах нагружения вероятность обнаружения скачка деформации, ассоциирующегося с зарождением под индентором радиальной трещины, многократно увеличивается по сравнению с испытанием трансформационно упрочненного 7Ю2.
Этот эффект нельзя устранить увеличением процентного содержания диоксида циркония в составе композита, т. к. это ведет к существенному уменьшению его твердости. В работе анализируются два варианта улучшения механических характеристик такого композита: уменьшение размеров зерна керамик до 10...20 нм (по сравнению с 60...200 нм у испытуемых образцов) и введение в состав композита углеродных нанотрубок (УНТ). Геометрические размеры УНТ (диаметр ~ 40...50 нм, длина ~ 2...10 мкм) и их уникальные упругие свойства (модуль Юнга однослойных УНТ достигает 1 ТПа) таковы, что они могут играть роль армирующих волокон, соединяющих берега зарождающейся трещины и препятствующих их дальнейшему расхождению. В работе представлены первые результаты исследования влияния армирования керамических композитов углеродными нанотрубками, которые свидетельствуют, что для достижения осязаемого эффекта требуется решить проблему более жесткого закрепления концов УНТ в керамической матрице.
БЛАГОДАРНОСТИ: НИР проведена в рамках реализации Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.
Поступила в редакцию 15 апреля 2010 г.
Korenkov V.V., Stolyarov R.A. Features of mechanical characteristics of oxide ceramic composites with carbon nanotubes Ceramic composites AI2O3 (matrix) - ZrO2 (a reinforcing element) should combine high hardness of the first with plasticity of the second. However to achieve a demanded combination in nanoscale it is not possible now. In work the variant of the addi-
tive carbon nanotubes in structure of a composite for additional increase of resistance to destruction is considered.
Key words: oxide ceramic; alumina; zirconium oxide; nanocomposite; transformation strengthening; reinforcement; carbon nanotube.
