CC BY
283
Ивашутенко Александр Сергеевич
Ivashutenko Aleksandr Sergeevich Национальный исследовательский Томский политехнический университет
National Research Tomsk Polytechnic University Заведующий кафедрой «Электромеханические комплексы и материалы» Head of Electromechanical Facilities and Materials Department
к.т.н.
E-Mail: ivaschutenko@mail.ru
Анненков Юрий Михайлович
Annenkov Yuri Mikhailovich Национальный исследовательский Томский политехнический университет
National Research Tomsk Polytechnic University Профессор кафедры «Электромеханических комплексов и материалов» Professor of Electromechanical Facilities and Materials Department
д.ф.-м.н. / профессор E-Mail: annenkov_ym@mail.ru
Сивков Александр Анатольевич
Sivkov Aleksandr Anatolievich Национальный исследовательский Томский политехнический университет
National Research Tomsk Polytechnic University Профессор кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Professor of Industrial Electric Power Supply Department
д.т.н. / профессор E-Mail: sivkovaa@mail.ru
Разработка технологии прозрачной керамики на основе оксидов иттрия и алюминия
Development of technology transparent ceramics of yttrium and aluminium oxide
Аннотация: В работе предложена новая технология получения оптически прозрачной керамики на основе оксидов иттрия и алюминия, заключающаяся в использовании двустороннего магнитно-импульсного прессования нанодисперсных порошков и спекании в температурном поле резистивной печи компактов. Установлено, что полученная керамика лучше всего пропускает излучение в области длин волн от 625 до 740 нм, что соответствует красному спектру видимого излучения.
The Abstract: This paper proposes a new technology for producing transparent oxide ceramics based on yttrium oxide and aluminum. Technology is the use of two-way magnetic pulse compression nanopowders and sintering furnace temperature field resistive compacts. In this work it was found that the obtained ceramics best transmits radiation in a wavelength region from 625 to 740 nm. This corresponds to the red spectrum of visible light.
Ключевые слова: прозрачная керамика, магнитно-импульсный пресс, керамика на основе оксида иттрия и алюминия, высокотемпературное спекание.
Keywords: Transparent ceramics, magnetic pulse press, aluminum and yttrium oxide ceramics, high temperature sintering.
Главный редактор - д.э.н., профессор К.А. Кирсанов тел. для справок: +7 (925) 853-04-57 (с 1100 - до 1800) Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru
Введение
Получение прозрачной керамики в наше время является одной из актуальных задач. Одним из основного сырья для получения прозрачной керамики является оксид иттрия (У203). Поскольку поликристаллические материалы на основе прозрачного оксида иттрия по интенсивности и количеству поглощения энергии приближаются к монокристаллам, появилась возможность использовать их для создания оптического квантового генератора, а также для замены рабочего тела в лазерах [1]. Керамика для лазера значительно отличается от монокристаллов простой технологией ее получения, а от лазерного стекла большими значениями теплопроводности, термостойкости и твердости. Большие надежды связывают с использованием светочувствительной керамики для изготовления разных типов преобразователей солнечной энергии. Прозрачная керамика из оксида иттрия обладает высоким светопропусканием в видимой и ИК-области спектра, высокой температурой плавления (2400 °С), высокой термостойкостью, имеет высокие механические и электрофизические свойства.
Для конструкционных применений вполне подходит керамика с плотностью от 95 % относительно теоретически плотного тела, однако для использования в области оптики требуется синтез керамики с полной плотностью, допуская наличие единичных пор меньше длины волны видимого света [2]. Реализовать данные условия удалось в начале 1960-х годов, когда Коубл впервые получил оптически прозрачный оксид алюминия. Дальнейшее исследование прозрачной керамики показало, что поликристаллическая структура керамики обладает высокими оптическими и физикомеханическими свойствами и, возможностью допирования в широких пределах различными редкоземельными элементами. Это позволяет, например, использовать данную керамику в качестве активной среды для твердотельных лазеров (в этом случае керамику называют лазерной).
Под прозрачностью керамики понимают керамику, которая может пропускать электромагнитное излучение. Если керамика пропускает инфракрасные лучи, которые являются тепловыми и составляют всего небольшую часть спектра электромагнитных волн, то говорят что она оптически прозрачная в ИК - диапазоне. Следует заметить, что сам термин «прозрачная керамика» - условный, поскольку степень пропускания волн различной длины может быть разной [3].
Для получения прозрачной керамики нами была предложена перспективная технология, заключающаяся в использовании двустороннего магнитно-импульсного прессования с последующим спеканием в резистивной печи, что является оригинальной частью данной работы.
Для компактирования нанопорошков достаточно эффективным является магнитноимпульсный метод прессования. Магнитно-импульсный метод - это один из разновидностей динамических методов компактирования [4]. Данный метод представляет собой сухое интенсивное прессование порошков, позволяющий генерировать импульсные волны сжатия с амплитудой до 5 ГПа и длительностью в несколько микросекунд.
В данной работе для сравнения методов прессования нанодисперсных порошков составов А1203 и У203 использовался двухсторонний магнитно-импульсный (ДМИ) пресс,
Актуальность и перспективы развития
Постановка задачи
Методы исследований
разработанный в ТПУ [5], а также статический пресс (20 т). На рис. 1, представлена схема ДМИ-пресса.
МИ-пресс представляет собой симметричную конструкцию состоящей из: индуктора и упорной плиты из текстолита, стального концентратора и врезанной в его поверхность, обращенную к индуктору, медной плитой, стяжных шпилек с эксцентриками. Также к МИ прессу, подсоединен цифровой двуканальной осциллограф Tektronix марки TDS 1012 В, предназначенный для регистрации осциллограммы напряжения, и разрядного тока проходящего по разрядному контуру.
Большие значения усилий прессования и энергоемкость в прессе приводят к существенному росту времени действия давления при прессования, что благотворно сказывается на параметрах пресс образцов. ДМИ-пресс характеризуется большой степенью мягкости прессования, т.е., увеличением индуктивности пресса, длительности воздействия усилия прессования, что в итоге приводит к уменьшению процесса перепрессовки образцов и способствует получению более качественной керамики.
После прессования полученные порошковые компакты спекались в высокотемпературной печи СНОЛ 12/15.
Рис. 1. Схема двустороннего магнитно-импульсного пресса. 1 - матрица, 2 - порошок, 3 -пуансоны, 4 - концентраторы, 5 - индукторы
В работе было реализовано 2 режима спекания компактов с различной изотермической выдержкой 4 и 10 часов (см. рис. 2).
Время, ЧАС Ереми, чм
Рис. 2. Режимы спекания керамики
После спекания порошковых компактов у керамических образцов измерялась плотность методом гидростатического взвешивания, проводилось измерение микротвердости (по Виккерсу), с помощью электронной микроскопии анализировалась структура и средний размер зерна. Главным вопросом в работе являлась оценка величины светопропускания керамики.
Сущность метода состоит в оценке отношения величины светового потока Ф0 (лм), прошедшего через материал, к величине светового потока Ф1 (лм), падающего на этот материал из наружного пространства. Эти два параметра мы оцениваем экспериментально.
Контроль освещенности осуществляли с помощью фотоэлемента, установленного в источнике света горизонтально (наружный фотоэлемент) и обращенным приемной поверхностью от испытываемого изделия в соответствии с рис. 3.
Для начала образец керамики устанавливается в изолированную камеру так, чтобы на исследуемую площадь образца не попадал дневной свет. Образец располагается параллельно измерительному светодиоду. Далее испытуемый образец подвергается воздействию светового потока с разной длинной волны (красный 625-740 нм, синий 440-485 нм, зеленый 500-565 нм, белый 400-800 нм). Полученные результаты сводились в таблицу для дальнейшего анализа.
Основные научные и практические результаты
Для эффективного процесса формования компактов на двухстороннем магнитноимпульсном прессе, нами была проведена работа по определению оптимального режима прессования порошков оксидов иттрия и алюминия. Характеристики прессования представлены ниже: емкость накопителя - 6 мФ; зарядное напряжение - 1...1,25 кВ; давление прессования ~ 1.1,6 ГПа; длительность импульса ~ 500 мс; геометрические размеры пресс-образцов h = 2.3 мм, d = 10 мм. На рис. 4 приведена осциллограмма, описывающая характер изменения разрядного тока (1), протекающего через индукторы, и приложенного напряжения (2).
Тек. Л™ • Acq Complete М Pos: 1.000ms CHI
Coupling IBM
BW Limit [STH
100MHz
Volts/Div
Probe IK Voltage
Invert ПДИ
CHI 200mV CH2 500mV M 250jus CHI У 104mV
CH2 vertical position -2.04 divs C-1.02V5
Рис. 4. Осциллограмма напряжения и разрядного тока
На рис. 5 представлена зависимость плотности компакта Y2O3, от амплитуды прикладываемого давления прессования. Цельные компакты обозначены символом «ромб»,
Рис. 3. Схема прибора для измерения коэффициента светопропускания. 1-источник света, 2 - изолированная камера, 3 - образец, 4 - измерительный диод, 5- источник питания
разрушенные - «крест». Обнаруженное разрушение компактов при давлении прессования более 1 ГПа вероятно связано с появлением ударных волн.
Рис. 5. Зависимость плотности порошка У203, от давления прессования
Таким образом, проведенная работа позволяет сделать вывод относительно получения оптимальной технологии получения качественных прессовок из оксида иттрия и алюминия. Во-первых, необходимо использовать пластификатор, обеспечивающий сохранность компактов. Во-вторых, требуется прикладывать давление импульсного прессования не выше уровня в 1 ГПа, что обуславливает высокую плотность формовок (70-72 %) и их целостность. И в-третьих, как рекомендация, необходимо использовать разборные (сегментные) пресс-формы. Стоит также отметить, что данные заключения характерны и для процесса формования нанодисперсных порошков на основе корунда.
В таблице приведены данные, по определению плотности р, среднего размера зерна Б, микротвердости по Виккерсу НУ керамики.
Таблица
Физико-механические свойства керамики
Состав Т °С Т сп С р, г/см3 о4 ,р П, % Б, мкм НУ
У203 (плазмохимическая технология) ДМИ-прессование 1600 3,5 70,7 29,3 1,2 623
А1203 (электрический взрыв проводников) 3,1 78,9 21,1 5,8 1609
2г02 (76%) - А12О3 (20%) - У20з (4%) (плазмохимическая технология) 4,2 72,2 27,8 2 679
А1203 (плазмохимическая технология) статическое прессование 400МПа 3,4 86,6 13,4 3,09 800
А1203 (плазмохимическая технология) ДМИ-прессование 3,8 96,4 3,6 2,6 1065
Результаты оценки коэффициента поглощения излучения представлены на рис. 6 и 7.
Рис.
Снннн спектр ^-.и-вдз им, зеленый спектр (йии-ййй нм) Красный спектр |
6. Светопропускание керамики в красном, зеленом и синем спектре света
Рис. 7. Светопропускание керамики в белом спектре света
Цифрами на рис. 6 и 7 отмечены следующие составы: 1 - Л1203 (плазмохимическая технология) статическое прессование 400 МПа; 2 - 2г02 (76%)+Л1203 (20%)+У203 (4%); 3 -Л1203 (плазмохимическая технология); 4 - Л1203 (электрический взрыв проводников); 5 - У203 (плазмохимическая технология) двустороннее магнитно-импульсное прессование; 6 - Л1203 двустороннее магнитно-импульсное прессование.
Из анализа представленных данных можно заключить следующее. Несмотря на достаточно длительную выдержку (4 и 10 часов) в высокотемпературном поле образцов оксидной керамики, получить качественных пробы (в оптическом диапазоне) так и не удалось. Как видно из результатов по плотности величина её колеблется от 70 до 96.4 %. Столь огромный разброс значений мы связываем как со спецификой спекания в температурном поле резистивной печи, так и влиянием материала нагревателей (хромитлантан) и футеровкой самой печи.
Интересны результаты оценки среднего размера зерна для полученной керамики. Отмечено, что для иттриевой керамики средний размер зерна не превосходит уровня 1.2 - 1.5 мкм. В то время как для корундовой керамики уровень Б достигает значений в 6 мкм. На наш взгляд это связано с температурой спекания изделий - для иттриевой керамики предпочтительная температура спекания должна быть на уровне 1800 - 1900 °С (Тпл ~ 2500
Главный редактор - д.э.н., профессор К.А. Кирсанов тел. для справок: +7 (925) 853-04-57 (с 1100 - до 1800) Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru
°С). В отличие от корундовой (Тпл ~ 2050 °С). Поэтому и плотность и микротвердость для образцов керамики из Л1203 выше. Одним из решений данного вопроса является использование активированного способа спекания - микроволновой технологии. Анализ литературных данных показал высокую эффективность данной технологии. Поэтому в качестве рекомендации к дальнейшему изучению актуальной проблемы получения высококачественной прозрачной керамики рекомендуется использовать метод микроволнового синтеза керамики.
Ключевым моментом данной работы является оценка коэффициента светопоглощения керамики. Из анализа проведенных исследований было установлено, что полученная керамика, как корундовая, так и иттриевая лучше всего пропускает излучение в области длин волн от 625 до 740 нм, что соответствует красному спектру видимого излучения. Это свидетельствует о том, что именно в данном диапазоне длин в керамике имеется наименьшее количество включений, примесей и пор способных рассеивать излучения.
В работе также было обнаружено, что спекание корундовой керамики в температурном поле резистивной печи с хромитлантановыми нагревателями обеспечивает получение образцов с красно-малиновым цветом, хотя корундовая керамика обычно имеет молочнобелый цвет. Приобретение такого оттенка является следствием использования хромитлантановых нагревателей, которые при высокой температуре испускают ионы хрома, которые в дальнейшем допируют корунд. Обнаруженное явление не является недостатком, вернее, исключает дополнительную обработку корундовой керамики, параллельно при спекании допируя хромом структуру - предшествуя образованию рубина - классического рабочего тела в лазерах.
В работе предложена новая технология получения оптически прозрачной оксидной керамики на основе оксида иттрия и алюминия, заключающаяся в использовании двустороннего магнитно-импульсного прессования нанодисперсных порошков и спекании в температурном поле резистивной печи компактов. Отработана оптимальная технология двустороннего магнитно-импульсного прессования нанодисперсных порошков У203 и Л1203. Спекание порошковых компактов состава Л1203 в резистивной печи с хромитлантановыми нагревателями в атмосфере воздуха обеспечивает допирование структуры керамики ионами хрома, что проявляется в изменении цвета. Готовые образцы приобретают красно-розовый цвет, что говорит о формировании тригональной сингонии - получении рубина -классического рабочего тела в лазерах.
Заключение
ЛИТЕРАТУРА
1. Автореферат Вальнин Георгий Павлович «Оптическая прозрачная керамика на основе оксида иттрия». Москва 2008г. 24с
2. Бакунов В.С., Лукин Е.С. Особенности технологии высокоплотной технической керамики. Химические методы получения исходных порошков. ОИВТ РАН, РХТУ им. Д.И. Менделеева. Стекло и керамика 2008, №2, сс. 3-7.
3. Кайгородов А. С., Иванов В.В., Паранин С.Н., Ноздрин А. А. Роль адсорбатов при импульсном прессовании нанопорошков оксидов. // Москва, Российские Нанотехнологии, №2, 2007, сс. 112-118.
4. Синебрюхов А.Г. Магнитно-импульсная обработка материалов. Учебное пособие. - Томск: Изд. ТПУ. - 1996. - 48 с.
5. Анненков Ю.М., Ивашутенко А.С. Разработка технологии получения оксидной нанокерамики методами высокоэнергетического воздействия. Сборник трудов 12-й международной конференции "Радиационная физика и химия неорганических материалов", Томск, 2003 г. С. 131-141.
Рецензент: Мартюшев Никита Владимирович, к.т.н. доцент кафедры
«Материаловедение и технологии металлов» института физики высоких технологий Национального исследовательского Томского политехнического университета
