CC BY
10
УДК 666.9-129.3.015
Атапин А.А., Зенкин М.И., Макаров Н.А.
СИНТЕЗ КЕРАМОМАТРИЧНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ КОРУНДА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭВТЕКТИЧЕСКИХ ДОБАВОК
Атапин Андрей Александрович, студент 1-го курса магистратуры кафедры химической технологии керамики и огнеупоров РХТУ им. Д.И. Менделеева, e-mail: aaatapin@mail.ru;
Зенкин Михаил Игоревич, студент 4-го курса бакалавриата 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;
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская пл., д.9
Проведен синтез керамоматричного композиционного материала в системе «корунд - углеродные нанотрубки -эвтектическая добавка». Проанализировано влияние содержания углеродных нанотрубок, времени изотермической выдержки, а также вида добавки на свойства полученного материала. Определена добавка, позволяющая получить материал с наиболее высоким уровнем свойств, установлены дальнейшие направления работы в данной сфере.
Ключевые слова: корунд, эвтектические добавки, углеродные нанотрубки, прочность, механические свойства, композиционный материал.
SYNTHESIS OF CERAMIC COMPOSITE MATERIAL BASED ON CORUND BY USING EUTECTIC ADDITIVES
Atapin A.A., Zenkin M.I., Makarov N.A.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
The synthesis of ceramic composite material in the system "corundum - carbon nanotubes - eutectic additive" was carried out. The influence of the content of carbon nanotubes, the time of isothermal aging, and the type of additive on the properties of the obtained material are analyzed. An additive has been identified that makes it possible to obtain the material with the highest level ofproperties, and further directions of work in this field have been established.
Key words: corundum, eutectic additives, carbon nanotubes, strength, mechanical properties, composite material.
Корунд - один их самых перспективных материалов для создания конструкционной керамики. Это связано с тем, что он обладает высоким уровнем таких свойств, как высокая прочность, которая, в зависимости от способа формования и добавки может быть в пределах 300 -750 МПА [1], трещиностойкость, твердость (9 по шкале Мооса [2]). В связи с этим, создается все новые и новые виды керамики на основе корунда, в том числе и композиционные материалы. Тем не менее, серьезной проблемой является довольно высокая температура спекания данного материала, из-за чего ищут различные способы ее понижения
[3].
Углеродные нанотрубки (УНТ) - относительно новый материал, который, в силу своего высокого уровня свойств, находит огромное применение во многих отраслях промышленности, например, в электронике, медицине, бронетехнике и других [4]. Одним из отличительных свойств, позволяющих использовать углеродные нанотрубки в качестве армирующего материала, является их прочность, которая может достигать величин порядка 3,5 ГПа.
Композиционный материал на основе корунда, армированный углеродными нанотрубками за счет повышенной трещиностойкости может найти свое применение как в качестве элемента комбинированной брони, так и в качестве
конструкционного материала для деталей, работающих на истирание, например, подшипников скольжения. Разработкой данного материала активно занимались за рубежом [5-8], однако в своих работах исследователи использовали дорогостоящие способы получения продукта, например, горячее прессование или же искроплазменное спекание. В данной же работе было решено использовать более доступный способ спекания в вакууме, а для понижения температуры спекания воспользоваться эвтектическими добавками. Таким образом в данной работе предлагается более дешевый и доступный способ получения материала для комбинированной брони или же конструкционной керамики.
В данной работе ставилось целью изучения влияния содержания углеродных нанотрубок, вида эвтектической добавки и времени выдержки на свойства полученного композиционного материала. Для реализации этой цели было решено приготовить 16 различных составов композиционного материала с двумя эвтектическими добавками в различных системах и восемью различными концентрациями УНТ. Время изотермической выдержки также варьировалось между двумя значениями. Образцы различных масс формовались полусухим прессованием, после чего их спекали в вакууме, а затем проводили анализ свойств.
Свойства материалов, полученных с добавкой в системе CaO - 2п0 - АЬОз - 3102 (СгАБ) представлены в таблице 1.
Согласно приведенным данным увеличение времени выдержки во всех случаях оказывает положительное влияние на степень спекания материала, поскольку происходит пусть и незначительное, но увеличение усадки, уменьшение открытой пористости и увеличение средней плотности. Однако стоит отметить отсутствие влияния времени изотермической выдержки на прочность, поскольку при одинаковых значениях содержания УНТ величины прочности примерно равны.
Введение углеродных нанотрубок в материал матрицы негативно сказывается на свойствах полученных материалов, что выражается в
увеличении открытой пористости, уменьшении средней плотности, а также уменьшении прочности материалов с увеличением содержания нанотрубок.
Свойства материалов, полученных с добавкой в системе CaO - 2п0 - БЮ2 (С2Б) представлены в таблице 2. Согласно данным, приведенным в таблице, увеличение времени выдержки оказывает положительное влияние на протекание процесса спекания, обуславливая достижение более высокого уровня таких свойств, как линейная усадка, средняя плотность и механическая прочность. Значения открытой пористости при этом значительно снижаются. Так для материалов, модифицированных углеродными нанотрубками в количестве 1,0 мас. % снижение открытой пористости произошло с 5.6 % до 3, т.е. практически, в два раза.
Таблица 1. Свойства материалов, модифицированных добавкой в системе CaO - 2пО - Л12Оз - $Ю2
Содержание УНТ, мас. % Линейная усадка, % Открытая пористость, % Средняя плотность, г/см3 Прочность, МПа
В ремя выдержки - 3 часа
0 19,4 ± 0,1 5,1 ± 0,5 3,54 ± 0,04 225 ± 18
0,1 19,2 ± 0,4 8,7 ± 2,1 3,47 ± 0,05 201 ± 37
0,2 19,1 ± 1,1 6,7 ± 0,5 3,50 ± 0,03 152 ± 37
0,3 19,3 ± 2,9 8,8 ± 0,2 3,47 ± 0,04 205 ± 16
0,4 19,5 ± 0,2 8,5 ± 1,3 3,47 ± 0,01 194 ± 13
0,5 19,1 ± 0,1 9,5 ± 1,0 3,44 ± 0,02 151 ± 7
0,7 19,1 ± 0,2 10,4 ± 2,5 3,40 ± 0,05 178 ± 9
1,0 19,6 ± 0,1 7,9 ± 0,6 3,46 ± 0,01 177 ± 4
В ремя выдержки - 4 часа
0 19,4 ± 0,1 4,4 ± 2,2 3,55 ± 0,05 212 ± 18
0,1 19,2 ± 0,4 7,7 ± 0,1 3,50 ± 0,04 221 ± 9
0,2 19,3 ± 0,2 6,6 ± 0,1 3,52 ± 0,05 158 ± 21
0,3 19,2 ± 0,3 8,6 ± 1,4 3,53 ± 0,04 198 ± 43
0,4 19,7 ± 0,3 7,6 ± 1,3 3,52 ± 0,04 207 ± 25
0,5 19,4 ± 0,2 8,0 ± 0,9 3,46 ± 0,05 154 ± 20
0,7 19,2 ± 0,3 10,7 ± 1,4 3,47 ± 0,10 201 ± 19
1,0 19,9 ± 0,1 6,6 ± 0,9 3,49 ± 0,02 172 ± 13
Таблица 2. Свойства материалов, модифицированных добавкой в системе CaO - 2пО - 8Ю2
Содержание УНТ, мас. % Линейная усадка, % Открытая пористость, % Средняя плотность, г/см3 Прочность, МПа
В ремя выдержки - 3 часа
0 21,5 ± 0,1 1,2 ± 1,1 3,65 ± 0,03 247 ± 9
0,1 21,8 ± 0,3 1,8 ± 0,7 3,64 ± 0,02 240 ± 26
0,2 21,8 ± 0,3 1,3 ± 0,4 3,63 ± 0,01 270 ± 11
0,3 21,8 ± 0,9 2,3 ± 0,8 3,61 ± 0,05 248 ± 33
0,4 21,4 ± 1,4 3,1 ± 0,9 3,58 ± 0,01 244 ± 23
0,5 21,2 ± 0,4 4,9 ± 0,4 3,56 ± 0,02 234 ± 11
0,7 21,5 ± 0,6 3,8 ± 0,7 3,57 ± 0,05 235 ± 9
1,0 21,5 ± 0 5,6 ± 0,1 3,54 ± 0,05 217 ± 27
В ремя выдержки - 4 часа
0 21,9 ± 0,2 1,0 ± 0,8 3,65 ± 0,05 250 ± 16
0,1 22,0 ± 0,1 0,9 ± 0,1 3,66 ± 0,02 265 ± 22
0,2 22,0 ± 0,3 0,9 ± 0,4 3,66 ± 0,01 280 ± 28
0,3 22,0 ± 0,4 1,3 ± 0,7 3,62 ± 0,04 248 ± 27
0,4 22,2 ± 0,7 1,3 ± 0,5 3,62 ± 0,04 269 ± 9
0,5 21,7 ± 0,4 2,5 ± 0,9 3,59 ± 0,02 249 ± 17
0,7 21,9 ± 0,2 1,6 ± 0,1 3,62 ± 0,02 262 ± 16
1,0 22,0 ± 0 3,0 ± 0,4 3,59 ± 0,05 228 ± 34
Введение углеродных нанотрубок оказывает неоднозначное влияние на свойства материалов. Для начала рассмотрим их влияние на керамические свойства. При сравнении материалов, время изотермической выдержки которой составляло 3 часа, наблюдается тенденция к ухудшению таких свойств как открытая пористость и средняя плотность при внесении в состав композиционного материала углеродных нанотрубок. Кроме того, при росте содержания нанотрубок также наблюдается деградация свойств, хотя эта тенденция не столь выражена в случае малых концентраций армирующего компонента. При сравнении материалов, обжиг которых проводился при 4 часах выдержки, внесение углеродных нанотрубок в малых концентрациях оказывает положительное влияния на керамические свойства, что выражается в увеличении величины средней плотности и уменьшении величины открытой пористости, которая даже приближается к нулевым значениям. Однако после достижения наивысших значений характеристик при содержании углеродных нанотрубок в количестве 0,2 мас % наблюдается деградация свойств, выражающаяся в снижении величины средней плотности и увеличении открытой пористости. Стоит отметить, что в данном случае наблюдается повышение уровня свойств материала, содержащего углеродные нанотрубки, по сравнению с материалом, их не содержащим. Величины усадки, в данном случае, не использовались для анализа, поскольку отмечается их постоянство при увеличении содержания углеродных нанотрубок. С механическими же свойствами обстоит несколько иная ситуация. Введение в материал углеродных нанотрубок также первоначально оказывает положительное влияние на прочность, однако после достижения некоторого содержания углеродных нанотрубок эта тенденция сменяется негативной. Стоит отметить, что для материалов, время изотермической обработки которых составляет 3 часа, положительное влияние содержания углеродных нанотрубок на прочностные характеристики ограничивается 0,3 мас. %, после чего наблюдается деградация прочности ниже уровня материала, не модифицированного углеродными нанотрубками. В то же время для материалов, время изотермической обработки которых составило 4 часа, деградация прочности ниже уровня свойств материала, не содержащего углеродные нанотрубки, отмечается только при превышении концентрации нанотрубок более 0,7 мас. %. Однако в обоих случаях возрастание прочности наблюдается лишь для материалов, модифицированных углеродными нанотрубками в количестве не превышающим 0,2 мас. %, после чего наблюдается деградация прочностных
характеристик.
Заключение
На основании анализа полученных результатов можно сделать вывод о невозможности применения добавки системы С2ЛБ для синтеза
композиционных материалов «корунд - углеродные нанотрубки», поскольку введение углеродных нанотрубок в материал данного состава резко снижает уровень свойств исследуемых композитов. Однако же добавка в системе CZS подходит для синтеза композиционных материалов «корунд -углеродные нанотрубки - эвтектические добавки». Это утверждение основано на выявлении улучшения свойств композиционных материалов, обжигаемых в течение 4 часов. Кроме того, увеличение механической прочности, средней плотности и снижение открытой пористости материалов, содержащих углеродные нанотрубки в количестве, не превышающим 0,2 мас. %, дает основание сделать заключение о положительном влиянии углеродных нанотрубок на протекание процесса жидкофазного спекания при использовании добавки указанного состава. Следовательно, дальнейшие исследования указанного композиционного материала, модифицированного данной добавкой эвтектического состава, перспективно с точки зрения получения плотноспеченного композита, применяемого в качестве конструкционного материала.
Список литературы
1. Ханамирова А. А. Влияние условий получения гидроксидов и оксидов алюминия на спекание и свойства керамики // Химический журнал Армении. 2007. № 4. С. 664 - 676.
2. Кидяров Б. И. Взаимосвязь «состав -температура плавления - твердость» простых и бинарных оксидных кристаллов // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2010. Т.7. № 4. С. 39 - 44
3. Плетнев П. М., Непочатов Ю. К., Маликова Е. В., Богаев А. А. Технология получения корундовой бронекерамики, модифицированной сложными добавками // Известия Томского политехнического университета. 2015. Т. 326. № 3 С. 40 - 49
4. Грибачев В. Технология получения и сферы применения углеродных нанотрубок // Коспоненты и технологии. 2008. № 12. С. 135 - 138
5. Wei T., Fan Z., Luo G., Wei F. A new structure for multi-walled carbon nanotubes reinforced alumina nanocomposite with high strength and toughness // Materials letters. 2008. V.62. № 4-5. P. 641 - 644
6. Ahmad I., Unwin M., Cao H., Chen H., Zhao H., Kennedy A., Zhu Y.Q. Multi-walled carbon nanotubes reinforced Al2O3 nanocomposites: Mechanical properties and interfacial investigations // Composites Science and Technology. 2010. V.70. P. 1199 - 1206
7. Zhang S. C., Fahrenholtz W. G., Hilmas G. E., Yadlowsky E. J. Pressureless sintering of carbon nanotube-Al2O3 composites // Journal of the European Ceramic Society. 2010. V.30. P. 1373 - 1380
8. Bakhsh N., Khalid F. A., Hakeem A. S. Synthesis and characterization of pressureless sintered carbon nanotube reinforced alumina nanocomposites // Materials Science & Engineering A. 2013. V.578. P. 422 - 429
