CC BY
14
УДК 666.762.852
Грузнов М.А., Файков П.П.
ПОЛУЧЕНИЕ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ SiC-MgAl2O4-Y3Al5012-АРМИРОВАННОГО УГЛЕРОДНЫМИ НАНОТРУБКАМИ
Грузнов Михаил Андреевич, магистр 2 курса факультета технологии неорганических веществ и высокотемпературных материалов;
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
Файков Павел Петрович, к.т.н. доцент, факультета технологии неорганических веществ и высокотемпературных материалов, кафедры химии и технологии кристаллов, Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия, email: faikov_p@inbox.ru
Синтез композиционного материала на основе карбида кремния и внедрение в него нанотрубок и добавок являются приоритетным направление для получения высокотемпературных и прочных материалов. В данной работе были разработаны методики и проведены улучшения условий синтеза. Результатом работы стало получение материала обладающего отличительными свойствами и сохранения равномерного компонентного состава по всему образцу.
Ключевые слова: композиционный материал, керамика, карбид кремния, углеродные нанотрубки, иттрий алюминиевый гранат, алюмомагнезиальный шпинель.
OBTAINING COMPOSITIONAL MATERIAL BASED ON SiC-MgAl2O4-Y3Al5O12-REINFORCED BY CARBON NANOTUBES
Gruznov M.A., Faikov P.P.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
Synthesis of a composite material based on silicon carbide and infiltration of nanotubes and additives into it are a priority for obtaining high-temperature and durable materials. In this work, techniques were developed and the synthesis conditions were improved. The result of the work was to obtain a material with distinctive properties and preserve a uniform component composition throughout the sample.
Keywords: composite material, ceramics, silicon carbide, carbon nanotubes, ittry alumium granate, alumo magnesia spinel.
ВВЕДЕНИЕ
Научно-технический прогресс требует создание новых материалов для использования в различных приборах и аппаратуре. Среди таких можно выделить различные композиционные и
керамические составы, например на основе карбида кремния ^Ю). Применение карбида кремния в промышленности очень велико и с каждым годом его влияние на электронную и механическую промышленность только возрастает. Благодаря его характеристикам [2], таким как: низкое сопротивление даже при повышенных температурах, высокой температуростойкости, сопротивлению термоударам, а также полупроводниковым свойствам были получены различные технические изделия, например: тонкопленочные диоды, диоды Шоттки, различные выпрямители, стабилизаторы, тормозные колодки, механические оси и др. Как известно [1] карбид кремния может использоваться для получения тонкопленочных структур. Данные структуры могут использоваться для получения полупроводниковых матриц используемых при изготовлении дисплеев, компьютерных систем, транзисторов. Также данный материал может
применяться в качестве альтернативы для пьезоэлектрических сенсоров на основе кремния при высоких температурах, радиоэлектромеханических компонентов с более повышенной теплостойкостью, биомедицинских электромеханических компонентов по причине того что все электроприборы вырабатывают много тепла при работе, а также он не вызывает отторжения при введении в человеческое тело (например кардиостимулятор). В частности данный материал в составе с нанотрубками может применяться для проведения тока при высоких температурах.
Как показали дальнейшие исследования, данный материал также может применяться в качестве добавки к моторному маслу [4] для снижения трения, лучшего охлаждения и гармоник в движущихся частях. Известны материалы когда в качестве матрицы использовался углерод с внедренным SiC. Карбид кремния с нанотрубками также используется в качестве абразива во многих промышленных применениях. В электронной промышленности основное применение -притирочные пленки, которые используются для полировки концов волоконно-оптических нитей
перед сращиванием. Эти пленки обеспечивают высокую чистоту поверхности, необходимую для наиболее эффективного функционирования волоконно-оптических соединений. Керамика, изготовленная из данного материала, постепенно может заменить различные виды других пулестойких материалов, например, кевлара. В последнее время производится исследование методик по внедрению углерода в керамику в качестве нанотрубок или графена. Как известно -нанотрубки могут использоваться как замена волокон и обладают очень хорошей прочностью. Волокна в керамике позволяют снизить микронапряжения, а также снизить образование трещин в материале. Исследование в данной работе предполагает использование карбида кремния с внедрением нанотрубок и различных добавок с целью выяснить различные свойства данного материала и зависимости от состава компонентов. Данная работа также предполагает использование новых методик и различных усовершенствований в процессе получения данного материала с целью решения некоторых проблем при его получении, улучшении качества изделий из данного материала, а также подбор возможных добавок с целью получения тех или иных свойств для использования в узконаправленной области.
В данный момент перспективой решения проблем стали применение: ультразвука, изменение способа диспергирования веществ, улучшение порошкового состава, исследование способа получения исходных компонентов и другие. В качестве добавок были использованы иттрий алюминиевый гранат (Y3Al5O12) и шпинель (MgAl2O4). В данной работе использовалась иная методика получение порошков, диспергирования, а также перемешивания с последующим измельчением и прессованием. Тем самым это позволило улучшить и ускорить процесс получения изделий из карбида кремния.
На основе этого можно установить следующее: 1) Внедрение различных добавок может существенно изменять свойства полученных керамических изделий, однако требуются дальнейшие исследования и изучение, и составление технологического процесса. 2) Существует огромное количество методик получения керамических изделий, некоторые из них имеют высокий потенциал их использования за счет снижения энерго и пр. затрат. Однако требуются дальнейшие исследования для получения существенных результатов, поэтому в данное время большинство используют методику горячего прессования. 3) Несмотря на преимущество использования различных кислородных и безкислородных добавок (например, У2О3-А12О3 или 2гБ2-2гС) которые могут улучшить сам техпроцесс получения за счет уменьшения температур и давлений, данные добавки могут вносить изменения в состав вещества, которые порой могут негативно сказаться на его свойствах. 4) Применение и внедрение углеродных композитов, нанотрубок и графена в керамические изделия
является перспективным направлением, который позволяет существенно улучшать материал и могут открыть массу возможностей его использования, которые нельзя было достичь ранее. 5) Дальнейшие исследования в керамических изделиях позволяют, как получать новые виды материалов, так и улучшать старые тем самым открывая новые возможности в авиа, радиостроении и военной промышленности. Вдобавок оно позволяет убрать ряд недостатков, удешевить производство материала, увеличить его долговечность, механические и термические свойства.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
В качестве основного метода получения мы использовали золь-гель метод. К его достоинствам в данной работе можно отнести простоту метода, высокая химическая однородность получаемых материалов, позволяющая существенно снизить температуру и продолжительность термообработки, возможность контролировать размер частиц и структуру пор материалов.
Его недостатками является то, что он не обеспечивает монодисперсности частиц; не позволяет получать двумерные и одномерные наноструктуры и контролировать их параметры анизотропии; этим методом нельзя синтезировать пространственно-упорядоченные структуры,
состоящие из наночастиц, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга, или параллельных нанопластин с прослойками инертной матрицы; получение требуемых систем невозможно из-за химического взаимодействия прекурсоров или продуктов синтеза с гелеобразующим агентом.
Вначале было произведено измерение потерь при прокаливании (ППП) данных солей с целью выяснить количество воды ушедшей при прокаливании и учесть ее в расчетах. Для этого бралась навеска солей использованных в шести расчетах, засыпалась в тигли и ставилась в печь на 30 минут. При измерении учитывались массы тиглей, масса солей (без тигля) и масса после прокаливания (без тигля). После этого производилось сравнение результатов расчетов и бралось среднее арифметическое из 6 результатов. Затем производили расчет массы солей для получения шпинели с расчетом на 8% поливинилового спирта.
Исходя из данных, данные соли растворяли в воде, а затем добавили ПВС (поливинилового спирта) в пропорции 8% и данный раствор постепенно заливали в металлическую подогреваемую емкость до образования однородной пены. После удаления воды и различных газов данная пена затвердевала, была перемещена и протерта через сито, до образования однородного порошка. С помощью данного метода было произведено начальное испарение воды и разложение солей Al(NO3)3, Mg(NO3)2 и Ya3 до оксидов Al2O3, MgO, а также Y2O3. Затем данный порошок был засыпан в тигель для дальнейшей обработки в печи. Вначале порошок прокаливался около 30 минут при 100-300 °С, для выпаривания
воды из пор, затем при 600-650 °С для удаления оставшихся оксидов и хлоридов и окончательного выпаривания воды в течение 0,5 — 1 часа. После остывания данные порошки были протерты через сито, и использованы в дальнейшем в данной работе.
Полученные добавки используются вместе с SiC и нанотрубками для получения порошка используемого в дальнейшем для получения керамического изделия. Для получения данного порошка производилось взвешивание исходных материалов. Перед добавление нанотрубок, их смешивали с раствором содержащем 8% ПВС (поливинилового спирта) и обработкой ультразвуком в течение 5-10 минут. Затем данные нанотрубки добавлялись к SiC в объемной доле 10% от всего порошка. В дальнейшем были добавлены MgAl2O4 и Y3Al5O12 в массовой пропорции 5-10 % от исходного. Таким образом в общем получалась навеска около 25-30 г. и диспергирование данной смеси под ультразвуком в течении 15-20 минут, при ультразвуковых импульсах частотой 0,01 сек с перерывом на 1 с и высокой амплитудой. Затем данную смесь ставили в планетарную мельницу, предварительно подобрав противовес практически идентичный массе тары и самой смеси. В данной смеси в качестве измельчающих шариков использовались шарики из корунда. После этого производили перемешивание, и измельчение в мельнице в течение 5-15 минут (в зависимости от плотности смеси). После удаления шариков из смеси, производили последнее диспергирование под ультразвуком в течение 15-20 минут при тех же параметрах. В конечном итоге данная смесь заливалась в миску, и из нее выпаривалась вода, и разлагался поливиниловый спирт под инфракрасной лампой на электроплитке. Инфракрасная лампа и электроплитка использовались для ускорения процесса, так как требовалось быстрое выпаривание воды из смеси. После данного процесса, порошок протирался через сито и фасовался и передавался для получения композитной керамики и дальнейшего исследования. В результате данной работы было получено около 1 кг образцов.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
В результате проделанной работы были получены образцы композиционной керамики на основе SiC армированные УНТ, которая была отдана на просвечивающую электронную микроскопию и рентгенофазовый анализ. После их анализа были получены результаты на рисунке 1. Здесь присутствуют некие структуры, которые не присущи ни кристаллитам, потому что они не слишком ровные, ни примесям, или порам, потому что они «собраны» в цепочку или нить которая практически не прерывается и образует наноструктуры.
Рисунок 1 - Образец под увеличением 10 нм содержащий нитевидные структуры (углеродные структуры выделены белым)
В процессе обработки результатов данной работы, на рисунке 2 изображена полученная дифракционная картина которая при сравнении с малым изображением, взятым для сравнения из [3] работы, очень схожа с той что получена в данной работе, что соответствует наличию углеродных нанотрубок в самом образце.
Рисунок 2 - Кольцевая дифракционная картина образца, и малое изображение кольцевой дифракционной картины из работы [3].
Таким образом, данные нитевидные структуры являются не тем иным как многослойными нанотрубками в объеме самого образца, что подтверждается кольцевыми дифракционными картинами из различных работ, а также снимками ПЭМ в которых данные структуры не соответствуют
аморфному углероду, кристаллитам SiC, примесям или иным образованиям.
Последующий анализ производился при помощи рентгенофазового анализа. По всему образцу произошло равномерное распределение
компонентов. Благодаря внедрению добавок на основе алюмомагнезиальной шпинели (АМШ) (MgAl2O4) образовалась пленка вокруг зерен SiC и произвела перераспределение химических компонентов в образце, поспособствовала удалению пор и сближению частиц, как показывает фотография на рисунке 3. Алюмо-Иттриевый гранат (АИГ) (Y3Al5O12) препятствовал росту кристаллов SiC, сохраняя микрокристаллическую структуру всего образца. При определенной температуре между АИГ и АМШ образовалась эвтектическое равновесие, которое поспособствовало увеличению перераспределения химических компонентов.
Рисунок 3 — фотография образца после шлифовки и исследований
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе проделанной работы были получены прочные, плотные образцы композиционного материала на основе БЮ с внедренными добавками и
армированный углеродными нанотрубками. Образцы полученные в данной работе был подробно и всесторонне изучен на ПЭМ, получены данные о компонентном составе данного образца. Было доказано, при помощи изображений, наличие наноструктур в данных образцах после высокотемпературной обработки (обжига). Было показано положительное воздействие добавок на основе алюмомагнезиального шпинеля (MgAl2O4) и иттрий-алюминиевого граната (Y3AI5O12) на образцы в улучшении распределения по компонентному составу, а также улучшение свойств самого образца.
Список литературы
1. M. A. Fraga, R. S. Pessoa, M. M. and H. S. Maciel. Applications of SiC-Based Thin Films in Electronic and MEMS Devices - 2012 — IntechOpen, Physics and Technology of Silicon Carbide Devices, DOI: 10.5772/50998 - P. 314-315 [https://www.intechopen.com/books/physics-and-technology-of-silicon-carbide-devices/applications-of-sic-based-thin-films-in-electronic-and-mems-devices] (Дата обращения 17.06.2019);
2. Elasser, Ahmed & Chow, Tat-Sing. Silicon carbide benefits and advantages for power electronics circuits and systems.. - 2002 - Proceedings of the IEEE. 90. 10.1109/JPROC.2002.1021562 - P. 969 -986
[https://www.researchgate.net/publication/2986009_S ilicon_carbide_benefits_and_advantages_for_power_ electronics_circuits_and_systems] (Дата обращения 17.06.2019);
3. M. C. García-Gutiérrez, A. Nogales, J. J. Hernández, D. R. Rueda, T. A. Ezquerra // X-ray scattering applied to the analysis of carbon nanotubes, polymers and nanocomposites; - 2007 - Optica Pura y Aplicada 40(2) - P. 199-200 [http ://digital. csic.es/bitstream/10261/4150/1/257.pdf] (Дата обращения 17.06.2019);
4. Digi-Key Electronics, URL: https://www.digikey.com/en/articles/techzone/2016/de c/silicon-carbide-history-and-applications (Дата обращения 17.06.2019)
