CC BY
116Инновации в информационно-аналитических системах: сб. научн. трудов. Вып. 6 Курск: Науком, 2013. - 96 с., ил. ISBN 978-5-4297-0010-6
УДК 666.3
Гынгазов С.А., Суржиков А.П., Франгульян Т.С.
ПОЛУЧЕНИЕ КОМПОЗИЦИОННОЙ НАНОКЕРАМИКИ НА ОСНОВЕ ДИОКСИДА ЦИРКОНИЯ
Представлены реализуемые в Томском политехническом университете проекты решения технической задачи создания наноструктурированного состояния в композиционной керамике на основе диоксида циркония.
Ключевые слова: метод, наноструктурированная керамика, диоксид циркония.
Gingazov S.A., Surzhikov A.P., Frangul’yan T.S.
Obtaining composite nanoceramics on the basis of zirconium dioxide
Implemented in Tomsk Polytechnic University projects the technical challenge of creating nanostructured state in the composite ceramics on the basis of zirconium dioxide are presented.
Key words: method наноструктурированная ceramics, zirconium dioxide.
Развитие современной науки и техники невозможно без использования материалов, обладающих уникальным сочетанием физико-механических свойств и повышенными эксплуатационными характеристиками. В последнее время большое внимание уделяется проблеме получения керамики конструкционного и инструментального назначения с повышенными значениями механической прочности и трещиностойкости.
Есть два основополагающих подхода к ее решению. Один из них заключается в получении керамических материалов, структурные компоненты которых находятся в наноразмерном состоянии. На современном этапе эту проблему удается решать благодаря до-
88
Инновации в информационно-аналитических системах: сб. научн. трудов. Вып. 6 -Курск: Науком, 2013. - 96 с., ил. ISBN 978-5-4297-0010-6
стигнутому существенному прогрессу в технологии получения ультрадисперсных порошков (УДП). Из-за повышенной поверхностной энергии по сравнению с крупнодисперсными порошками спекание УДП можно осуществлять при пониженных температурах, что позволяет снизить скорость роста зерен, обусловленную протеканием интенсивных рекристаллизационных процессов, и получать наноструктурированную керамику. Второй подход основан на использовании эффекта полиморфных превращений, которые могут осуществляться под действием внешних механических нагрузок.
В керамических структурах, создаваемых на основе нанокристаллического стабилизированного диоксида циркония, могут быть реализованы оба перечисленных выше подхода [1-5].
В Томском политехническом университете (ТПУ) выполняется несколько проектов в рамках Федеральных целевых программ. Основные направления развития данных проектов состоят в решении технической задачи создания наноструктурированного состояния в композиционной керамике на основе диоксида циркония.
На наш взгляд, двигаясь в этом направлении, можно достичь существенных результатов в получении композиционной керамики с улучшенными свойствами. При этом развиваются несколько отдельных независимых методов снижения дисперсности готовой керамики.
Первый заключается в использовании магнитно-импульсного (МИ) метода прессования УДП порошков [6]. Полученные МИ прессованием компакты спекаются при пониженных по сравнению с компактами, полученными по традиционной технологии, в частности, методом статического прессования температурах. Снижение температуры спекания приводит к снижению скорости агломерации частиц в прессовке, что позволяет приблизить структуру получаемых образцов к характерной для нанокерамики.
Другим самостоятельным методом улучшения свойств керамических материалов можно считать поверхностное модифицирование методами радиационного воздействия потоками заряженных частиц. Этот метод развивается в ТПУ на примере радиационного воздействия на готовые керамические структуры на основе диоксида циркония пучками низкоэнергетических электронов [7-11]. В ряде случаев такой метод позволяет эффективно перевести тонкий
89
Инновации в информационно-аналитических системах: сб. научн. трудов. Вып. 6 -Курск: Науком, 2013. - 96 с., ил. ISBN 978-5-4297-0010-6
приповерхностный слой в наноструктурированное состояние, что приводит к существенному увеличению микротвердости и износостойкости приповерхностных слоев керамики [10, 11]. Этот прием позволяет преобразовывать «посредственную» керамику в керамику с улучшенными свойствами, так как часто ее качество зависит от состояния приповерхностных слоев.
Другой наиболее, на наш взгляд, перспективный метод, который требует детального изучения, является спекание керамики в СВЧ установках, базирующихся на гиротронах. Использование мощного СВЧ излучения с частотой несколько десятков ГГц дает возможность существенно уменьшить температуру и время спекания. Уменьшение данных технологических параметров должно обеспечить заметное уменьшения размера зерен в керамике, вплоть до наноразмеров, что позолит получить нанокерамику с уникальными свойствами. В России лидером производства СВЧ установок специального назначения для спекания керамических материалов является ЗАО НПП «ГИКОМ» (Нижний Новгород). В реализуемых проектах ФЦП эффективное достижение наноструктурированного состояния в композиционной керамике планируется достигнуть применением совокупности перечисленных выше физических методов воздействия на керамические структуры.
Для реализации наиболее интересного и перспективного подхода, основанного на использовании СВЧ-воздействия, ТПУ планирует приобрести СВЧ-печь производства ЗАО НПП «ГИКОМ». Приобретение данного оборудования будет способствовать проведению комплекса исследований по получению нанокерамики с уникальными свойствами. Это же оборудование может быть эффективно использовано в качестве испытательного комплекса по изучению воздействия СВЧ излучения на элементы электронной техники в условиях вакуума, создание которого планируется в ТПУ.
Следует отметить, что в Томской области производство УДП порошков диоксида циркония налажено в промышленных масштабах на Сибирском химическом комбинате. Разрабатываемые новые физические принципы и технологические приемы позволят организовать производство высококачественной керамики из данного сырья, что будет иметь большое значение для развития экономики региона.
Библиографический список
90
Инновации в информационно-аналитических системах: сб. научн. трудов. Вып. 6 Курск: Науком, 2013. - 96 с., ил. ISBN 978-5-4297-0010-6
1. Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии.- М.: Физматлит, 2007.- 416 с.
2. Лукин Е. С., Макаров Н. А., Козлов А. И., Попова Н. А., Ануфриева Е. В., Вартанян М. А., Козлов И. А., Сафина М. Н., Лемешев Д. О., Горелик Е. И., Бакунов В. С. Нанопорошки для получения оксидной керамики нового поколения //Новые огнеупоры. - 2009. - N 11. - С. 29-34.
3. Плинер С.Ю., Дабижа А.А. Упрочнение керамики из диоксида циркония за счет тетрагонально-моноклинного превращения. Огнеупоры, 1986, №3, с.58-62.
4. Lange F. F. Transformation toughening. Part 3: Experimental observation in the ZrO2 -Y2 O3 system . Mater.Sci. 1982. v.17, №1. P.240-246
5. Керамика из высокоогнеупорных окислов._ М.: Металлургия,1977/-
303 c.
6. Анненков Ю.М., Иванов В.В., Ивашутенко А.С., Кондратюк А.А. Эффективность методов прессования корундо-циркониевых порошков различной дисперсности //Известия Томского политехнического университета, -2005. -т. 308 -№ 7. - С. 39-43.
7. Суржиков А.П., Франгульян Т.С., Гынгазов С.А., Мельников А.Г., Коваль Н.Н., Девятков В.Н. Модифицирование свойств циркониевой керамики сильноточным пучком низкоэнергетических электронов. //Перспективные материалы. - 2006. - №4, - С. 58-64.
8. Суржиков А.П., Франгульян Т.С., Гынгазов С.А., Коваль Н.Н. Индуцированные сильноточным импульсным пучком низкоэнергетических электронов структурно-фазовые изменения в приповерхностных слоях корундоциркониевой керамики //Перспективные материалы. - 2008, - № 3. - С. 73-79.
9. Surzhikov A.P., Frangulyan T.S., Ghyngazov S.A., Koval N.N., Structural-phase transformations in near-surface layers of alumina-zirconium ceramics induced by low-energy high-current electron beams. //Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 267 (2009) - Р.1072-1076.
10. Пат. 2287503 РФ. Способ повышения износостойкости поверхности изделий из керамики на основе диоксида циркония Гынгазов С.А., Суржиков А.П., Франгульян Т.С., Мельников А.Г., Коваль Н.Н., Девятков В.Н., Григорьев С.В., опубл. 20.11.2006
11. Пат. №2337894 РФ. Способ повышения износостойкости поверхности изделий из керамики на основе диоксида циркония. Гынгазов С.А., Суржиков А.П., Франгульян Т.С., Гончаренко И.М., Девятков В.Н., Григорьев С.В., опубл. 10.11.2008. бюл. №31.
91
