Разработка и исследование керамик на основе нанопорошков оксидов алюминия, циркония и церия

• Автор: Хрустов, Владимир Рудольфович
• Шифр специальности: 05.16.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Екатеринбург
• Количество страниц: 123 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. О состоянии проблемы получения керамик на основе оксидов алюминия, циркония и церия с размером зерна в субмикронной области
1.1 Привлекательность наноструктурных керамических материалов для перспективных применений

1.2 Особенности спекания керамики из малоразмерных порошков

1.3 Полиморфизм АЬОз в наноструктурном состоянии и методы управления рекристаллизацией для получения керамики оксида алюминия

1.4 Наноструктурная керамика ЪхОг различпых модификаций

1.5 Наноструктурная проводящая по иону кислорода керамика на основе оксидов циркония и церия для электрохимических применений

1.6 Выбор направлений и методов исследования

ГЛАВА 2. Экспериментальные методы исследования

2.1 Подготовка образцов

2.1.1 Характеристика исходных нанопорошков оксидов

2.1.2 Особенности состояния наночастиц, спрессованных магнитноимпульсным методом
2.2 Термические методы исследования спекания керамик
2.3 Методы исследования свойств и структуры керамик
2.3.1 Измерение плотности
2.3.2 Определение удельной поверхности
2.3.3 Методы рентгеновской дифракции
2.3.4 Электронная просвечивающая и сканирующая микроскопия
2.4.5 Атомносиловая микроскопия АСМ
2.3.6 Измерение микротвердости и трещиностойкости
2.3.7 Испытания па износостойкость
2.3.8 Измерение электропроводности
ГЛАВА 3. Спекание керамики АЬОз с субмикронной структурой из слабо агрегированных нанопорошков мстастабильных форм
3.1 Характеристика нанопорошков АЬОз и прессовок из них
3.2 Структурнофазовые превращения при спекании керамики из нанопорошков АЬОз, в том числе с добавками и ТЮг
3.2.1 Спекание нанопорошков ЛОз
3.2.2 Влияние добавок и ТСЬ на спекание нанопорошков Л2О3
3.2.3 Влияние среды сепарации нанопорошков А2О3 на их спекание
3.3 Особенности усадки при спекании керамики на основе нанопорошков А2О3 с добавлением УБ2
3.4 Особенности структурнофазового состояния композитных субмикронных керамик с матрицей Л2О3 с добавлением 2.8У, ЛЛ, гю2
3.5 Твердость и износостойкость субмикронных керамик на основе АОз
3.6 Выводы но главе 3
ГЛАВА 4. Получение и свойства керамик на основе 2тОг
4.1 Характеристика нанопорошков на основе 2г и прессовок из них
4.2 Условия спекания керамики нестабилизированного x
4.3 Особенности спекания керамик на основе 2Ю, стабилизированного У2О3, кубической и тетрагональной модификаций в г.ч. с добавками А
4.4 Рекристаллизация в керамике кубического гю2, стабилизированного УгОз, кубической модификации при варьировании условий спекания
4.5 Электропроводность субмикронной керамики кубического
4.6 Выводы по главе 4
ГЛАВА 5. Электропроводность и микроструктура керамики Се.х0с1х, 0. х 0., полученной из слабо агрегированных нанопорошков
5.1 Характеристика нанопорошков Се.хСха и прессовок из них
5.2 Спекание керамики Се.х0с1х5 и анализ се микроструктуры
5.3 Исследование электропроводности керамики Сео.вОсо.Огб
5.4 Концентрационные зависимости электропроводности керамики Се.хС1х.5 0. х 0.
5.5 Выводы по главе 5
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА


Основные результаты диссертационной работы изложены в рецензируемых изданиях, в том числе в Российских журналах , в иностранных журналах , в грудах конференций 3х всероссийских , , , и 7ми международных конференций , и двух патентах и . А так же в более чем тезисах докладов Российских и зарубежных конференций. Определены закономерности спекания слабо агрегированных нанопорошков оксидов А1, и Се, спрессованных до высокой относительной плотности, не менее 0,, 0, и 0,, соответственно. С для АЬОз, С для Се1С1хг и УБХ. Спеканием компактов из наноразмерного метастабилыюго порошка ЛЬОз у и 5 формы с растворенным в нем Мд при пониженных до С температурах получена керамика на основе АЬОз, стойкость которой к абразивноэрозионному износу в 2. Керамика характеризуется средним размером кристаллитов основной фазы аАЬОз менее 0 нм, второй фазы алюмомагниевой шпинели 4 порядка нм, при твердости ГПа и трсщиностойкости 4 МПам. Впервые разделены вклады границ и объема зерен в полную электропроводность плотных керамик с кубической струкгурой со средним размером зерна в диапазоне 0 0 нм. Установлено, что при размере зерна 0 им имеет место минимум электропроводности границ зерен и максимум энергии активации электропроводности объема зерен. Впервые исследована электропроводность керамик Се1. Сс1 в диапазоне 0. X 0С. Обнаружен сдвиг максимума изотерм электропроводности к большим концентрациям Ос1 с увеличением температуры. Энергия активации проводимости монотонно увеличивается, и в исследованном диапазоне оказывается значительно ниже, чем для керамик с микронным размером зерна. Закономерности установление в работе, положены в основу разработки технологии получения керамик с субмикронной структурой, акгуальные для получения перспективных керамических изделий. В частности, субмикронная керамика кубического применима для изготовления тонкостенных кислородионных проводящих мембран. Полученные результаты применены нами в последующих разработках технологии изготовления тонкостенных 02 мм трехслойных труб для керамического элемента катодмембранаанод из субмикронной керамики 9,. Впервые в России были изготовлены и испытаны макеты ТОТЭ и высокотемпературного электрохимического генератора чистого кислорода с несущим трубчатым тонкостенным электролитом и токопроходами без использования драгоценных металлов. Вг ем 2 , , . Производительность генератора кислорода составила 9 лчас при температуре 0 С, плотности тока 1. Асм2 и энергозатратах электрохимической части 6. Втчасл. Конструкции разработанных трубчатых элементов, способы технологии их изготовления, а также конструкции и способы изготовления батарей ТОТЭ защищены патентами , . В настоящее время эти результаты применяются для разработки нового поколения твердооксидных топливных элементов как в ИЭФ, так и совместно с другими организациями РФЯЦ НИИТФ контракт Разработка технологии изготовления трубчатого тврдого электролита с использованием наноразмерных композиций и технологии магнитноимпульсного прессования, ФГУП ЦНИИСЭТ договор Разработка ТОТЭ на основе , изготовленного по плночным технологиям. На основе представленных результатов были разработаны технологии изготовления керамических изделий с субмикронной структурой на основе I для износостойких применений, по Программе Развитие наноиндустрии в Свердловской области Договор с ООО НПО Центр промышленных нанотехнологий Технология и оборудование для производства наноструктурных керамик на основе оксида алюминия, работающих в экстремальных условиях эксплуатации для применений в качестве ускоряющих сопел для гидрорезания , , , струеформирующих насадок для машин гидроабразивной обработки , толстостенных труб для радиальных подшипников, упорных подшипников для центрифуг, защитных радиационностойких накладок для работы в абразивных средах Государственный контракт . Паноразмерная керамика на основе оксидов алюминия и циркония выбор составов и разработка технологии для радиационной стойкости. Для применения разработанной субмикронной керамики на основе АЬОз в качестве ударопрочных облегченных энергопоглощающих защитных пластин ведется работа по Государственному контракту .