CC BY
75
УДК 661.666.1 + 666.3/.7
Ч. Т. Т. Зыонг, М. В. Фолимонова, П. П. Файков, Н. А. Попова, Е. В. Жариков* Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20 * e-mail: [email protected]
ВЛИЯНИЕ ДОБАВКИ ZrO2 НА УПРОЧНЕНИЕ КОМПОЗИТА НА ОСНОВЕ КОРУНДА С МНОГОСЛОЙНЫМИ УГЛЕРОДНЫМИ НАНОТРУБКАМИ
В работе рассмотрено получение методом искрового плазменного спекания композиционного материала на основе Al2O3, упрочненного многослойными углеродными нанотрубками (МУНТ), а также влияние введения добавки ZrO2 на упрочнение композита. Сделан вывод, что ZrO2 слабо проявляет свой эффект упрочения в случае одновременного введения с МУНТ в композиционный материал на основе Al2O3.
Ключевые слова: Al2O3; ZrO2; многослойные углеродные нанотрубки; композиционный материал; искровое плазменное спекание.
Развитие науки и современной техники требует создания новых материалов с заданными свойствами. Композиционные материалы предоставляются в этом плане наиболее перспективными. Благодаря возможности сочетания благоприятных свойств компонентов,
композиционные материалы находят широкое использование в различных областях промышленности и техники.
Композиты с металлической матрицей в большинстве случаев не обладают достаточной удельной прочностью, а композиты с полимерной матрицей, обладающие высокими удельными механическими характеристиками, легко
размягчаются при воздействии высоких температур. В этой связи композиционные материалы на основе керамической матрицы, стабильно работающие при высоких температурах, наделенные химической стойкостью, низкой плотностью и большими запасами сырья для их изготовления, являются, экономически выгодным выбором для технолога.
Al2O3 является традиционным
распространенным видом керамики, которая сочетает такие благоприятные характеристики как высокая температура плавления, достаточно хорошие механические, электрофизические свойства, а также химическую стойкость. Как у других видов материалов, различные виды дефектов (поры, микротрещины) встречаются в структуре керамики, что уменьшает ее механические свойства.
Известно много способов улучшения механических свойств керамики на основе Al2O3, в последнее время широко применяется способ введения в керамику на основе Al2O3 различных видов армирующих компонентов (частицы, волокна, другая фаза), в частности, углеродных нанотрубок [1], а также ZrO2 [2], и др. Обычно, ZrO2 оказывает заметный положительный эффект при введении в керамику на основе Al2O3. Механические свойства Al2O3-ZrO2 композитов увеличиваются на 100 % по сравнению с исходным материалом [3].
В настоящей работе исследованы свойства, микроструктура, а также оптимальный режим получения композиционных материалов на основе Al2O3 при одновременном введении ZrO2 и МУНТ.
Композиционные материалы на основе Al2O3 с различными концентрациями УНТ от 10 до 50% об. и добавлением 20% масс. ZrO2 получены искровым плазменным спеканием при различных температурах (1450, 1500, 1650°С, выдержка 5 минут). Все характеристики композита были исследованы и сравнены с образцами, не содержащими УНТ. Исходные материалы: порошок гиббсита Al(OH)3, порошок ZrO2 (стабилизированный 3 % мол. Y2O3) многослойные углеродные нанотрубки фирмы Bayer, имеющие длину < 1 мкм, диаметр в пределах 4-13 нм. Характеристики образцов исследовали методом сканирующей электронной микроскопии (Jeol JSM-5910LV, QUANTA 3D 200) и рядом других стандартных методов.
Процесс изготовления композиционных образцов включал следующие этапы: синтезирование порошка; измельчение, смешение и гомогенизация; сушка, прессование и спекание; механическая обработка и изучение ряда свойств путем проведения стандартных испытаний.
Порошок a-Al2O3 был получен при 1100оС из гиббсита. Нанотрубки предварительно
диспергировали ультразвуком (20 кГц) в поливиниловом спирте. Порошок a-Al2O3, порошок ZrO2, предварительно обработанные МУНТ были вместе механоактивированы в планетарной мельнице в течение 20-30 минут. Полученная суспензия высушивалась при одновременном тепловом и инфракрасном воздействии.
На рисунке 1 приведена зависимость механических характеристик композиционных образцов от содержания МУНТ. Синтезированные при температуре обжига 1450-1500°C, композиты имеют низкую плотность и высокую пористость, в среднем достигающую 5-10 %. Композиты, полученные при температуре обжига 1650°C, имеют высокую плотность, и пористость снижается до 1,5 %.
Содержание МУНТ, % об.
Рис.1. Зависимость модуля упругости (а) и прочноси при изгибе (б) композитов на основе А1203 и А1203^г02, армированных МУНТ от содержания МУНТ.
Определен оптимальный режим для синтеза
А1203 и А1203-2г02:
композитов
на основе
температура спекания 1650 С (время нагрева 5 мин.), время выдержки при температуре 16500С - 5 минут. При таком режиме были получены композиты с содержанием МУНТ (10-50 об. %) со следующими параметрами: пористость - 1,5 - 4%, прочность при изгибе - 470 - 640 МПа, модуль Юнга 354-500 ГПа. Максимальные значения механических характеристик полученных композитов в 2 раза превышают характеристики номинально чистой корундовой керамики.
Известно [4], что диоксид циркония упрочняет керамику из оксида алюминия благодаря его трансформационному переходу из тетрагональной в моноклинную модификацию, сопровождающемуся изменением объема. Оказалось, что в присутствии углеродных нанотрубок диоксид циркония не производит ожидаемого эффекта упрочнения для А1203-МУНТ композита. Механические свойства тройных композитов А1203-2г02-МУНТ
оказываются даже несколько ниже, чем для А1203-МУНТ без диоксида циркония, как показывает сравнение данных, приведенных на рис.1.
Можно предложить следующее объяснение. В отсутствие углеродных нанотрубок мелкие зерна 2г02 распределяются по границам кристаллитов корунда и, тем самым, сдерживают рост зерен А1203
[5]. При одновременном введении углеродных нанотрубок и 2г02 в композит, МУНТ создают "микросетки" вокруг зерен оксида алюминия. Образование микросеток препятствует
равномерному распределению частиц 2г02 по границам зерен корунда. С увеличением содержания МУНТ, эффект микросетки становится сильнее, что приводит в результате к формированию достаточно крупных агломератов диоксида циркония (рис. 2,б) в матрице композита. При этом происходит уменьшение плотности распределения частиц 2г02 в композите, вследствие чего вероятность встречи трещины с зерном диоксида циркония снижается, и, соответственно, упрочнение, связанное с трансформационным переходом 2г02 становится незначительным.
Рис.2. (а) - Микроструктура композита композитов на основе А1203, армированных 30% об. МУНТ. (б) -микроструктура композита композитов на основе А1203-Zr02, армированных 30% об. МУНТ.
Таким образом, были синтезированы искровым плазменным спеканием и исследованы керамические композиционные материалы на основе А1203 и А1203-2г02, армированные многослойными углеродными нанотрубками в количестве до 30% об. Установлена оптимальная температура синтеза 1650°С. которая обеспечивает получение композитов с пористостью 1,5 - 4%, прочностью при изгибе -470 - 640 МПа, модулем Юнга 354-500 ГПа. Максимальное значение механических
характеристик полученных композитов в 2 раза выше, чем у стандартной корундовой керамики. В присутствии углеродных нанотрубок диоксид циркония не производит ожидаемого эффекта упрочнения для А1203-МУНТ композита. Предложено объяснение снижения армирующего действия диоксида циркония в присутствии МУНТ, состоящее в следующем. Образование микросеток МУНТ вокруг зерен оксида алюминия препятствует
равномерному распределению частиц 2г02 на границах зерен, и, с увеличением концентрации МУНТ, приводит к формированию достаточно крупных агломератов диоксида циркония в матрице композита. Вследствие этого вероятность встречи трещины с зерном диоксида циркония снижается, и, соответственно, упрочнение, связанное с трансформационным переходом 2г02 становится незначительным.
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда, грант № 14-19-00522.
Чан Тхи Тхуи Зыонг - аспирант кафедры химии и технологии кристаллов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Фолимонова Мария Валерьевна — магистр кафедры химии и технологии кристаллов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Файков Павел Петрович - к.т.н., доцент кафедры химии и технологии кристаллов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Попова Нелля Александровна - ведущий инженер кафедры химической технологии керамики и огнеупоров РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Жариков Евгений Васильевич - д.т.н., профессор кафедры химии и технологии кристаллов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Литература
1. Ч. Т. Т. Зыонг, П. П. Файков, Н. А. Попова, Д. М. Совык, Е. В. Жариков. Композиционный материал на основе Al2O3 : MgO, упрочненный углеродными нанотрубками. Успехи в химии и химической технологии. Том XXVIII. 2014. №6: 79-82.
2. Yoshihiko Takano, Tomohito Ozawa, Masaru Yoshinaka, Ken Hirota, and Osamu Yamaguchi. Microstructure and Mechanical Properties of ZrO2 (2Y)-Toughened A12O3 Ceramics Fabricated by Spark Plasma Sintering. Journal of Materials Synthesis and Processing, V. 7. 1999. No. 2.: 107-111.
3. А.А.Козулин, Е.Г.Скрипнях, В.А.Скрипнях, Трещиностойкость оксидных керамических композитов с трансформационным упрочнением при квазистатических и динамических условиях нагружения. Известия высших учебных заведений, серия физика, Т. 55. 2012. № 7: 81-85.
4. Гузман И. Я., Химическая технология керамики, Стройматериалы, 2003, C. 496.
5. M. J. Abden, J. D. Afroze, M. A. Mamun, and M. M. Haque. Microstructure and mechanical properties of ZrO2-40 wt% Al2O3 composite ceramics. Mater. Express, Vol. 4, 2014., No. 4: 317-323.
Tran Thi Thuy Duong, Faikov Pavel Petrovich, Popova Nellia Aleksandrovna, Zharikov Evgeny Vasilievich*
D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. * e-mail: [email protected]
EFFECT OF ZrO2 ADDITION ON REINFORCEMENT OF COMPOSITE BASED ON ALUMINA AND MULTI-WALLED CARBON NANOTUBES
Abstract
The work discusses the fabrication of composite material based on alumina reinforced by multi-walled carbon nanotubes using the spark plasma sintering and investigates the influence of ZrO2 addition on reinforcement of composite. It was concluded that ZrO2 weakly affects when addition to alumina-based composite material is carried out together with multi-walled carbon nanotubes.
Key words: Al2O3; ZrO2; multi-walled carbon nanotubes; composite material; spark plasma sintering.
