Структура и свойства керамики на основе нанодисперсных порошков оксида гадолиния и оксида иттрия

УДК 621.002.3

Структура и свойства керамики на основе нанодисперсных порошков оксида гадолиния и оксида иттрия

С.П. Бардаханов, В.И. Лысенко, А.Н. Малов, Н.А. Маслов, А.В. Номоев1

Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН, Новосибирск, 630090, Россия 1 Бурятский государственный университет, Улан-Удэ, 670000, Россия

Получена мелкозернистая (порядка нескольких микрометров) плотная керамика из произведенных по новой технологии (испарением исходных материалов на ускорителе электронов) наноразмерных порошков оксида гадолиния Gd2O3 и оксида иттрия Y2O3. Структура и свойства полученной керамики исследованы методами сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии, рентгенофазового анализа. Показано, что полученная из оксида иттрия керамика при облучении в ультрафиолетовом диапазоне эксимерным лазером излучает видимый свет.

Ключевые слова: керамика, оксиды гадолиния и иттрия, структура и свойства, флуоресценция

Structure and properties of ceramics of gadolinium oxide and yttrium oxide nanopowders

S.P. Bardakhanov, V.I. Lysenko, A.N. Malov, N.A. Maslov, and A.V. Nomoev1

Khristianovich Institute of Theoretical and Applied Mechanics SB RAS, Novosibirsk, 630090, Russia 1 Buryat State University, Ulan Ude, 670000, Russia

Nanopowders of gadolinium (Gd2O3) and yttrium (Y2O3) oxides produced by the new technology of electron beam evaporation of raw materials are used to obtain fine-grained (several microns) dense ceramics. The structure and properties of the obtained ceramics are investigated by scanning and transmission electron microscopy and X-ray phase analysis. Yttria ceramics irradiated by an ultraviolet excimer laser is shown to emit visible light.

Keywords: ceramics, gadolinium and yttrium oxides, structure and properties, fluorescence

1. Введение

Одним из направлений нанотехнологий является создание керамики из наноразмерных компонентов, в частности, с сохранением возможно меньшего размера зерна в конечном продукте. Это важно, прежде всего, для достижения принципиальных эффектов с точки зрения прочности, например, это может способствовать созданию пластичной керамики [1], однако в общем случае требуется использование нестандартных методов компактирования [2, 3]. С другой стороны, в такой керамике возможно проявление новых оптических свойств. Особый интерес представляет получение керамики из нанопорошков оксидов редкоземельных элементов, в частности гадолиния и иттрия. Сферы применения ма-

териалов на основе этих веществ постоянно расширяются, причем в направлениях, определяющих технический прогресс (сплавы с уникальными свойствами, ядерная энергетика, электроника и др.).

Целью настоящей работы являлось получение керамики из наноразмерных порошков оксида гадолиния и оксида иттрия и исследование структуры и свойств полученных материалов.

2. Описание экспериментальных условий

В качестве исходных использовались порошки оксида гадолиния и оксида иттрия со средними размерами частиц 54 и 32 нм и химической чистотой 99 %, получаемые испарением сырьевых материалов на ускорителе

© Бардаханов С.П., Лысенко В.И., Малов А.Н., Маслов Н.А., Номоев А.В., 2008

электронов с последующей конденсацией вещества в виде нанодисперсных частиц [4-7]. Метод позволяет даже при относительно малых мощностях производить несколько десятков граммов порошка в час при атмосферном давлении.

Порошки оксида гадолиния и иттрия обрабатывались в виде монокомпозиций. Керамические заготовки из них получались в стальной пресс-форме методом сухого прессования (без использования каких-либо связующих и добавок) по нескольким циклам нагрузка-разгрузка (при максимальном давлении 40 МПа) с последующим спеканием в одной и той же последовательности температурных режимов, при этом Tmax была 1500 °С.

Свойства порошков и керамики изучались с помощью сканирующей (JSM-6460 LV (Jeol)) и просвечивающей (JEM-100CX) электронной микроскопии, рентгено-структурного анализа (дифрактометр HZG-4, монохроматическое Cu-излучение). Измерение микротвердости спеченной керамики производилось на приборе ПМТ-3 с предварительной полировкой поверхности образца. Предел прочности на сжатие определялся с помощью машины для прочностных испытаний материалов Zwick/Roell Z005.

Для возбуждения люминесценции использовался импульсный эксимерный KrF лазер с длиной волны 248 нм, энергией в импульсе 10 мДж, плотностью энергии в пучке 10 мДж/см2, длительность импульса излучения лазера составляла 5 нс. Для регистрации люминесценции применялся спектрограф с голографической дифракционной решеткой (с дисперсией 16 нм/мм), в качестве приемника излучения — ПЗС-камера с усилителем яркости, разрешающая способность составляла 5 нм. Для уменьшения уровня шумов производилось усреднение по 100 строкам изображения ПЗС-камеры. Для исключения возможных флуктуаций формы спектра от одного импульса к другому спектр каждого образца измерялся 10 раз с последующим вычислением среднего спектра. В целом оптическая схема была устроена так, что возбужденный спектр осреднялся по всей поверхности образца.

3. Результаты и их обсуждение

Рентгенографическое исследование показало, что порошок Gd2O3 содержал в себе моноклинную фазу Gd2O3 (номер карточки из базы дифракционных данных 42-1465), а керамика из него — более 75 % кубической фазы Gd2O3 (43-1014). Порошок Y2O3 представлял собой смесь двух фаз — моноклинной фазы P-Y2O3 (471274) (основной фазы) и моноклинной фазы Y2O3 (44399), а керамика из этого порошка содержала только кубическую фазу Y2O3 (43-1036).

На рис. 1, а представлены результаты просвечивающей электронной микроскопии порошка оксида гадоли-

ния, которые показывают, что частицы порошка в основном объединены в агломераты типа цепочек. В целом видно, что данный порошок является наноразмер-ным. Это подтверждает и распределение частиц по размеру (рис. 1, б). Видно, что основная часть частиц имеет размер менее 200 нм. Их средний размер 54 нм. Нужно отметить, что многие частицы имеют грани, хотя в целом они близки по форме к сферам.

Аналогичные данные приведены на рис. 2 для порошка оксида иттрия. Видно, что, по сравнению с оксидом гадолиния, в порошке оксида иттрия агломерация выражена слабее, а форма частиц оксида иттрия также близка к сферической. Данный порошок также является наноразмерным, что подтверждает распределение частиц по размерам (рис. 2, б). Основная часть частиц имеет размер менее 100 нм. Их средний размер составляет 32 нм.

На рис. 3 показана структура керамических образцов Gd2O3 и Y2O3. Приведена картина сканирующей электронной микроскопии скола образцов керамики, приготовленных из порошков оксида гадолиния и оксида иттрия. Из сравнения этих рисунков следует, что зерна керамики из оксида гадолиния более изолированы друг от друга, чем зерна керамики из оксида иттрия, причем последние достаточно хорошо спечены между собой. Размер зерен у оксида гадолиния больше, и форма зерен

200 Размер, нм

Рис. 1. Просвечивающая электронная микроскопия (а) и распределение частиц по размерам (б) для нанопорошка оксида гадолиния

л

• •

а

•

ф 1 1

100 Размер, нм

Рис. 2. Просвечивающая электронная микроскопия (а) и распределение частиц по размерам (б) для нанопорошка оксида иттрия

керамики из оксидов гадолиния и иттрия различается. Оценка по обзорным фотографиям электронной микроскопии образцов позволила установить, что максималь-

Рис. 3. Картина сканирующей электронной микроскопии скола образцов керамики, приготовленных из нанопорошков оксида гадолиния

Рис. 4. Спектр флуоресценции (полученный с помощью эксимерного К^ лазера) керамики из нанопорошка Y2O3

ный размер зерен оксида гадолиния составляет 2025 мкм, а оксида иттрия — 10-15 мкм.

Как показали измерения микротвердости полученных образцов, для керамики из оксида гадолиния она была примерно 6-7 ГПа, а для керамики из оксида иттрия — около 11 ГПа.

Предел прочности на сжатие для керамики из Gd2O3 равнялся примерно 0.3 ГПа, для керамики из У203 — около 0.4 ГПа (можно предположить, что, помимо других причин, это объясняется различием в структуре керамики).

Изучение данных по флуоресценции керамики из нанопорошков оксида гадолиния и оксида иттрия показало следующее. Если излучение с длиной волны 248 нм возбуждает в керамике из Gd203 очень слабое красноватое свечение, интенсивность которого недостаточна для фиксации спектра флуоресценции, то керамика из У203 светится намного интенсивнее. Соответствующий спектр флуоресценции, показывающий зависимость интенсивности свечения от длины волны, приведен на рис. 4. Из этих данных видно, что для керамики из У203 излучение в ультрафиолетовом диапазоне с длиной волны 248 нм возбуждает флуорофор с максимумом флуоресценции в районе 460 нм.

4. Заключение

С использованием нанопорошков, полученных по оригинальной технологии (испарением исходных материалов на ускорителе электронов), проведены исследования по получению керамики из наноразмерных порошков оксида гадолиния Gd203 и оксида иттрия У203. Получена мелкозернистая плотная керамика с микротвердостью вплоть до 11 ГПа. Структура и свойства полученной керамики исследованы методами просвечивающей и сканирующей электронной микроскопии, рентгенофазового анализа. Максимальный размер зерен керамики из оксида гадолиния составляет 20-25 мкм, а

оксида иттрия — 10-15 мкм. Показано, что для керамики из оксида иттрия лазерное излучение в ультрафиолетовом диапазоне возбуждает флуорофор в видимой части спектра.

Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ-Монголия 2007-2008 гг. № 07-02-90103 и Рособразо-вания РНП.2.1.2.3370.

Литература

1. Zhou Xinzhang, Hulbert D.M., Kuntz J.D., Sadangi R.K., Shukla V., Kear B.H., Mukherjee A.K. Superplasticity of zirconia-alumina-spinel nanoceramic composite by spark plasma sintering of plasma sprayed powders // Mater. Sci. Eng. A. - 2005. - V. 39. - P. 353-359.

2. АнциферовВ.Н., Перельман В.Е. Механика процессов прессования

порошковых и композиционных материалов. - М.: Грааль, 2001. -С. 175-202.

3. Бардаханов С.П., Ким А.В., Лиенко В.А., Рустамов Ш.Л., Тана-шее Ю.Ю., Шмаков А.Н. Экспериментальное исследование по созданию экологически чистой технологии получения керамики из

нанодисперсных порошков // Конструкц. композиц. матер. -2005.- № 4. - С. 71-79.

4. Пат. 2067077 РФ. Способ получения ультрадисперсной двуокиси кремния, устройство для его осуществления и ультрадисперсная двуокись кремния / В.П. Лукашов, С.П. Бардаханов, Р. А. Салимов, А.И. Корчагин, С.Н. Фадеев, А.В. Лаврухин // Бюл. изобретений. -1996. - № 27.

5. Бардаханов С.П., Корчагин А.И., Куксанов Н.К., Лаврухин А.В., СалимовР.А., Фадеев С.Н., ЧерепковВ.В. Получение нанопорош-ков испарением исходных веществ на ускорителе электронов при атмосферном давлении // ДАН. - 2006 - Т. 409. - № 3. - С. 320323.

6. Bardakhanov S.P., Korchagin A.I., Kuksanov N.K., Lavrukhin A.V., Salimov R.A., Fadeev S.N., Cherepkov V.V. Nanopowder production based on technology of solid raw substances evaporation by electron beam accelerator // Mater. Sci. Eng. B. - 2006. - V. 132. - P. 204208.

7. Korchagin A.I., Kuksanov N.K., Lavrukhin A.V., Fadeev S.N., Salimov R.A., Bardakhanov S.P., Goncharov V.B., Suknev A.P., Pauksh-tis E.A., Larina T. V., Zaikovskii V.I., Bogdanov S.V., Bal'zhinimaev B.S. Production of silver nano-powders by electron beam evaporation // Vacuum. - 2005. - V. 77. - Iss. 4. - P. 485-491.

Поступила в редакцию 27.03.2008 г., после переработки 07.05.2008 г.

Сведения об авторах

Бардаханов Сергей Прокопьевич, д.ф.-м.н., главный научный сотрудник Института теоретической и прикладной механики им. С.А. Хрис-тиановича СО РАН, bard@itam.nsc.ru

Лысенко Владимир Иванович, д.ф.-м.н., ведущий научный сотрудник Института теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиа-новича СО РАН, vl@itam.nsc.ru

Малов Алексей Николаевич, к.ф.-м.н., старший научный сотрудник Института теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиа-новича СО РАН

Маслов Николай Анатольевич, к.ф.-м.н., научный сотрудник Института теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН, nmaslov@itam.nsc.ru

Номоев Андрей Валерьевич, к.ф-м.н., декан физико-технического факультета Бурятского государственного университета, nomoevav@mail.ru