Синтез наноструктурированного материала на основе оксида алюминия с помощью искрового плазменного спекания

УДК 621.762

Е. В. Петрова, А. Ф. Дресвянников, В. Н. Доронин

СИНТЕЗ НАНОСТРУКТУРИРОВАННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ОКСИДА АЛЮМИНИЯ С ПОМОЩЬЮ ИСКРОВОГО ПЛАЗМЕННОГО СПЕКАНИЯ

Ключевые слова: наноструктурированный материал; оксид алюминия; электрохимический способ; искровое

плазменное спекание; микротвердость.

Методом искрового плазменного спекания получен наноструктурированный материал на основе оксида алюминия, синтезированный электрохимическим методом. Исследовано влияние условий получения на микротвердость композитов.

Keywords: nanostructural material; alumina oxide; electrochemical method; spark plasma sintering; microhardness.

Nanostructural material on the basis of electrochemical aluminum oxide have been obtained by spark plasma sintering. The influence of process conditions on microhardness of the composites is investigated.

Нанодисперсный порошок оксида алюминия находит широкое применение в качестве матрицы, при изготовлении композиционных керамических материалов со специальными свойствами [1-2].

Важным процессом в технологии получения керамических материалов является спекание. При этом на структуру изделий и, следовательно, на их свойства, оказывают влияние физико-химические характеристики матрицы и условия прессования (температура и давление) [3-4]. Использование искрового плазменного спекания (SPS) позволяет

обрабатывать материалы вплоть до высокой плотности и однородности, а также получать композиты с особо прочными связями между частицами и специальными свойствами [5].

Целью данной работы является выявление влияния условий SPS-синтеза композитов на основе наноструктурированного оксида алюминия, полученного электрохимическим методом, на их физико-механические свойства, в частности, на плотность и микротвердость.

Экспериментальная часть

В качестве предшественника использовали порошок оксида алюминия, полученный электрохимическим методом [4].

Компактирование нанодисперсного порошка оксида алюминия проводили методом искрового плазменного спекания при варьируемой температуре и давлении 60 МПа. Полученные образцы представляют собой цилиндры диаметром - 19,8±0,2 мм, высотой 2,0±0,2 мм. Микротвердость полученных образцов определяли с помощью микротвердомера HMV-2T (Shimadzu). Измерения проводились в единицах Виккерса при нагрузке индентора 200 г, времени экспозиции 15 минут, не менее тридцати пяти измерений.

Рентгенографический анализ образцов проводили методом порошковой дифрактометрии на приборе D8 ADVANCE (фирма Bruker) с использованием монохроматизированного CuKa-излучения. Идентификацию кристаллических фаз осуществляли путем сопоставления полученных экспериментальных значений межплоскостных расстояний и относительных интенсивностей с эталонными.

Исследование морфологи поверхности образцов проводили с использованием электронного сканирующего микроскопа EVEX Mini SEM SX-3000.

Обсуждение результатов

Результаты механических испытаний компактированных систем на основе оксида алюминия в зависимости от температуры и времени прессования представлены в табл.1.

В результате проведенных исследований было показано, что физико-механические свойства (микротвердость и плотность) синтезированных образцов напрямую зависят от

условий БРБ синтеза. Как видно из данных табл.1 увеличение температуры спекания от комнатной (образец №1) до 1200 0С (образец №2) практически не приводит к изменению значений микротвердости и плотности синтезированных образцов, хотя следует отметить, что давление при холодном прессовании было выше в 65 раз. Повышение температуры прессования до 1400 0С (образец №3) способствует росту микротвердости образцов более чем в десять раз, дальнейшее увеличение температуры на 100 0С приводит к понижению микротвердости на фоне продолжающегося роста плотности. В работе [6] было установлено, что в случае холодного прессования увеличение давление способствует линейному росту микротвердости образцов. В случае БРБ синтеза эта зависимость имеет точку экстремума (табл.1). Последнее позволяет заключить, что компактирование наноструктурированного порошка оксида алюминия нецелесообразно проводить при температурах выше 1400 0С.

Таблица 1 - Изменение микротвердости и плотности компактированных систем оксида алюминия в зависимости от условий синтеза

№ Условия 8Р8 синтеза Механические свойства образцов

образца Температура, °С Время, мин HV, по Виккерсу Плотность, г/см3

1* 25 10 179 2,10

2 1200 10 180 2,40

3 1300 10 930 3,60

4 1400 15 2035 3,92

5 1500 15 1669 3,91

6** 1300 15 1290 3,65

7*** 1400 15 1900 3,89

8 1350 5 2046 3,83

* - образец изготовлен из оксида алюминия прокаленного при температуре 600 0С и давлении 2 100 МПа; ** - образец изготовлен из оксида алюминия прокаленного при температуре 600 0С;

*** - толщина образца 4,7±0,2 мм.

Было также изучено влияние фазового состава исходного оксида на физикомеханические характеристики спеченного образца. При синтезе образца №6, полученного из у-оксида алюминия, не выявлено существенного изменения физико-механических свойств.

Изображение морфологии поверхности образцов спеченных систем на основе наноразмерного оксида алюминия приведено на рис.1.

Согласно данным микроскопических исследований (рис.1) морфология поверхности синтезированных образцов существенно зависит от условий БРБ спекания. При высоких температурах и временах выдержки 10-15 минут на поверхности образцов наблюдали отпечатки графитовой подложки. Согласно данным рентгенофазового анализа образец №4 представляет собой композиционный материал представленный фазами а- оксида алюминия (корунда) и графита. В случае образца № 8, полученного при температуре 1350 0С и выдержанного при давлении в течении 5 минут, морфология поверхности более однородна, а механические характеристики не уступают образцам, полученным при более высоких температурах спекания и длительной выдержке под давлением.

Рис. 1 - Морфология поверхности компактных образцов на основе оксида алюминия

Таким образом, на основе наноразмерного оксида алюминия, полученного электрохимическим методом, получены наноструктурированные материалы, с использованием искрового плазменного спекания. Исследовано влияние условий получения на микротвердость композитов. Показано что оптимальное значение микротвердости и плотности компактных образцов достигается при температуре 13500С и времени выдержки образца в течение 5 минут при давлении 60 МПа.

Работа проводилась в рамках выполнения госконтракта №02.740.11.0130 «Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров в области создания и обработки композиционных керамических материалов для машино-, авиастроения, химической промышленности и стройиндустрии», и частично рамках выполнения госконтракта №16.740.11.0643 «Разработка составов композиционных керамических

материалов на основе наноразмерных оксидов алюминия, цинка и металлов триады железа».

Литература

1. Hannink, R.H.J. Nanostrukture control of materials/ R.H.J. Hannink, A.J. Hill. Woodhead Publishing Limited. - 2006. - 488 p.

2. Бардаханов С.П. Свойства керамики, полученной из нанодисперсных порошков / С.П. Бардаханов,

А.В. Ким, В.И. Лысенко, А.В. Номоев, Д.Ю. Труфанов, М.Д. Буянтуев, Д.Ж. Базарова // Неорганически материалы. - 2009. - Т.45. -, № 31. - С.179-384.

3. Awaji, H. Relation between Strength, Fracture Toughness, and Critical Frontal Process Zone Size in Ceramics. Materials/ Awaji H., Matsunaga T., Choi S. // Transactions. - 2006. - Vol. 47. - №6. - PP. 1532— 1539.

4. Дресвянников, А.Ф. Морфология и фазовый состав наноразмерных частиц гидроксида и оксида алюминия, полученных электрохимическим способом / А.Ф. Дресвянников, Е.В. Петрова, М.А. Цыганова // Журнал физической химии. - 2010. - Т.84, №4. - С.727-732.

5. Ceja-Cardenas, L. Spark plasma sintering of a-Si3N4 ceramics with Al2O3 and Y2O3 as additives and its morphology transformation/ L. Ceja-Cardenas, J. Lemus-Ruiz, D. Jaramillo-Vigueras, S.D. de la Torre// Journal of Alloys and Compounds. - 2010. - Vol. 501. - № 2. - PРю 345-351.

6. Петрова, Е.В. Влияние условий компактирования нанодисперсных порошков оксида алюминия, железа и никеля на механические свойства композитов / Е.В.Петрова и др. // Вестник Казан. технол. ун-та - 2011. - № 6. - С.68-71.

© Е. В. Петрова - канд. хим. наук, доц. кафедры аналитической химии, сертификации и менеджмента качества КГТУ; А. Ф. Дресвянников - д-р хим. наук, проф. той же кафедры, alfedr@kstu.ru;

В. Н. Доронин - вед. инженер Центра коллективного пользования «Нанотехнологии и наноматериалы» КГТУ.