ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ЗОЛЬ-ГЕЛЬ СИНТЕЗА НА ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПРЕКУРСОРОВ И КЕРАМИКИ НА ОСНОВЕ ZrO2 Текст научной статьи по специальности «Физика»

ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ЗОЛЬ-ГЕЛЬ СИНТЕЗА НА ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПРЕКУРСОРОВ И КЕРАМИКИ НА ОСНОВЕ ZrO2

Ломакина Т.Е.1, Курапова О.Ю.2, Конаков В. Г.1

1 Институт проблем машиноведения РАН, Санкт-Петербург, Россия; 2 Elcogen Oy, Vantaa, Finland [email protected]

Применение прекурсоров и керамики на основе ZrÜ2 определяется их фазовым составом. Моноклинный ZrÜ2 ограниченно применяется в составе огнеупоров, тогда как высокосимметричная тетрагональная фаза ZrÜ2 широко используется как конструкционная керамика. Одним из основных способов получения и стабилизации тетрагональной фазы является введение в ZrÜ2 некоторых оксидов-допантов с образованием твердых растворов [1]. Вместе с тем, возможность контроля морфологии и дисперсности частиц аморфного порошка путем варьирования метода синтеза позволяет расширить температурно-концентрационную область существования высокосимметричных фаз в керамиках ZrÜ2. В настоящее время прекурсоры на основе диоксида циркония выпускаются коммерчески фирмой Tosoh (Япония). Несмотря на то, что синтез порошка Tosoh и имеет некоторое сходство с золь-гель синтезом, он проводится в гораздо более жестких условиях [2]. Дисперсность коммерческого порошка составляет более 1 мкм, вследствие чего из него сложно получить конструкционную керамику из-за низкой реакционной способности частиц, а также из-за температурного разрушения изделий, связанного с полиморфными превращениями [3]. Поэтому целью настоящей работы стал поиск оптимальных параметров золь-гель синтеза, которые можно варьировать для получения прекурсоров необходимой дисперсности, фазового состава и т. д. [4, 5].

Для данной работы был выбран золь-гель синтез в варианте обратного соосаждения из

0.1.М водных растворов ZrOCh6H2O и ZrO(NO3)26H2O с последующей криохимической обработкой. В качестве осадителя использовали водный раствор аммиака различной концентрации, раствор солей добавляли со скоростью 1-2 мл/мин при перемешивании, pH=9-10 ед., Т=1-2°С. Свежеприготовленный гель ZrÜ2nH2O небольшими порциями помещали в сосуд Дьюара с жидким азотом при перемешивании, замороженный гранулят сушили на воздухе. Полученные аморфные порошки прокаливали в течении двух часов при Т=550, 800, 1000 и 1100°С. В результате данного исследования проведена оптимизация концентрации осадителя и соли цирконила для получения прекурсоров и керамики на основе ZrÜ2. Потенциометриче-ский анализ подтвердил влияние концентрации осадителя на процессы гидролиза и осаждения, в связи с чем была подобрана оптимальная концентрация осадителя. С помощью синхронного термического анализа и лазерной седиментографии получена зависимость температуры кристаллизации прекурсора от среднего размера частиц. По этим данным можно однозначно судить о существовании критического размера частиц, такого, что при меньшем их размере температура кристаллизации резко уменьшается. Важным результатом работы стало увеличение плотности и микротвердости (в 2-3 раза) керамики из полученных прекурсоров по сравнению с керамикой, спеченной из коммерческого порошка Tosoh. Это можно объяснить тем, что по данным СЭМ в полученной нами керамике размер зерен оказался на порядок меньше.

Работа выполнена при поддержке гранта РНФ по проекту № 23-19-00236 «Пластичность и прочность конструкционных керамик с микро- и наноразмерной структурой при повышенных температурах».

Список литературы

1. Stubican V.S., Hellmann J.R., Ray SP. // Mater. Sci. Monogr. - 1982. - Vol. 1. - No. 10. - P. 257-261.

2. Fujisaki H., Kawamura K., Imai K. // Tosoh Res. Tech. Rev. - 2011. - Vol. 1. - No. 56. - P. 57-61.

3. Hasanuzzaman M., Rafferty A., Ülabi A.G., Prescott T. // IJNM. - 2007. - Vol. 1. - No. 4. - P. 524-536.

4. Konakov V.G., Golubev S.N., Solovyeva E.N., et al. // Mater. Phys. Mech. - 2011. - Vol. 11. - No. 11. - P. 68-75.

5. Ivanova E.A., Konakov V.G., Solovieva E.N. // Rev. Adv. Mater. Sci. - 2005. - Vol. 10. - P. 357-361.