О механических характеристиках наносистем оксидно-нитридной керамики

УДК 663.3

О МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИКАХ НАНОСИСТЕМ ОКСИДНО-НИТРИДНОЙ КЕРАМИКИ

А.И. Зимин, А. Л. Суменков, В.В. Асеев

Приведены результаты исследования некоторых механических свойств ульт-ратонких, или высокодисперсных, порошков (ВДП) ряда керамических материалов оксидно-нитридного состава, определяющих их поведение при хранении, уплотнении, прессовании, транспортировке. Определён характер зависимости этих свойств от размера частиц порошка, температуры, влажности, давления газовой среды.

Ключевые слова: адгезия, аутогезия, наносистемы, керамика.

В настоящее время нанотехнологии всё шире применяются в производстве самых разных вещей и в самых разных процессах. Во всех случаях использования нанотехнологий приходится сталкиваться с проблемами, возникающими при работе с ультрадисперсными порошками: это их склонность к образованию агломератов, слёживаемости, трудности при дозировании, уплотнении и т.д. Все эти проблемы обусловлены свойствами ультратонких порошков, вытекающими из большой силы сцепления частиц порошков между собой и влиянием на эту силу ряда факторов внешней среды.

Были исследованы некоторые механические свойства порошков различного состава со средними размерами частиц от 0,05 мкм до 1 мкм. Все порошки были полидисперсны и имели разные формы частиц.

Одной из важнейшей характеристик порошков является коэффициент внутреннего трения. Он определялся на приборе и по методике, описанными в работах [1] и [2]. На приборе плоскостного сдвига определялась зависимость предельного сопротивления сдвигу т от нормального напряжения сжатия а. Строились линии предела текучести - графики зависимости т = /(а), затем вычислялся коэффициент внутреннего трения/как тангенс угла наклона начального участка линии предела текучести к оси абсцисс.

Было установлено, что характер зависимости коэффициента внутреннего трения/от среднего размера частиц порошка dср для всех исследованных материалов одинаков и не зависит от природы материала, а зависит, в основном, от размера частиц (рис. 1).

Другая важная характеристика ВДП - сила сцепления частиц порошка между собой (аутогезия) - исследовалась на приборе, описанном в работах [2], [3], [4], работающем по методу разъёмного цилиндра. Из анализа полученных результатов для порошка А1203 (рис. 2) можно заключить, что сила сцепления между частицами порошка а резко возрастает при пе-

реходе через размер в 0,1 мкм, причём эта зависимость характерна для всех исследованных материалов.

ст,

Па

200

100

О 0,2 0,4 0,6 ёсР,мкм

Рис. 1. Зависимость коэффициента внутреннего трения наносистем от среднего диаметра частиц

О

1

1 4 3 2 1 / / / /

— І

0,2 0,4 0,6 0,8 г/ ,,, мкм

Рис. 2. Зависимость прочности при разрыве порошков А1203 от размера частиц при сжимающих напряжениях: 20,8 (1); 10,6 (2);

5,5 (3) и 2,4 кПа (4) Исследовалась зависимость аутогезионной прочности порошков о и их предельного сопротивления сдвигу т от температуры Т. Установлено, что обе эти характеристики растут с повышением температуры порошков (рис. 3 и 4).

Рис. 3. Аутогезионная прочность ВДП ТЮ2 в зависимости от температуры (напряжение предварительного сжатия оп = 2,4 кПа): йср = 0,25 (1, 4);

0,4 (2); 0,95 мкм (3).

Кривая 4 - порошок предварительно прокален в течение 1 ч при 850 К

Рис. 4. Зависимость предельного сопротивления сдвигу ВДП

от температуры

Минимумы на кривых на рис. 3 обусловлены, очевидно, испарением капиллярной влаги - об этом свидетельствует вид кривой 4 на том же рисунке.

Проводились опыты по определению предельного сопротивления сдвигу порошка двуокиси титана, находящегося под давлением газовой среды. Для этого прибор плоскостного сдвига помещался в герметичную ёмкость, в которой создавалось давление или разрежение воздуха. Эксперименты показали, что с ростом давления газа предельное сопротивление сдвигу осдв падает (см. таблицу).

Зависимость предельного сопротивления сдвигу слоя ВДП Ti02 от давления газовой среды.

P, кПа сдв, кПа

-116,5 173,5

109,7 160,1

220,6 149,3

417,1 122,1

694,0 84,3

965,0 52,2

1500,0 17,9

Полученные результаты могут быть использованы при разработке аппаратов и технологических процессов, в которых применяются наносистемы оксидно-нитридного состава.

Список литературы

1. Зимон А.Д. Адгезия пыли и порошков. М.: Химия, 1976. 432 с.

2. Терасита К. Определение коэффициента внутреннего трения и распределения нормальных напряжений в тонком порошке при испытании на срез по плоскости при действии постоянной нагрузки // Фунтай когаку кайси. 17. 1990. № 7. С. 374-382.

3. Зимон А. Д., Андрианов Е.И. Аутогезия сыпучих материалов. М.: Металлургия, 1988. 288 с.

4. Канаока Т. Зависимость сопротивления сдвигу, оказываемого когезионным порошкообразным веществом, от адгезионной силы в точке соприкосновения // Фунтай когаку кайси. 16. № 12. 1989. С. 691-696.

Зимин Анатолий Игоревич, канд. техн. наук, доц,. ziminl 951 @yandex. ru, Россия, Новомосковск, НИ (ф) РХТУ им. Д.И. Менделеева

Суменков Александр Леонидович, канд. техн. наук, доц., sumenal@rambler.ru, Россия, Новомосковск, НИ (ф) РХТУ им. Д.И. Менделеева

Асеев Владимир Викторович, ст. преп., Россия, Новомосковск, НИ (ф) РХТУ им. Д. И. Менделеева

ABOUT MECHANICAL CHARACTERISTICS OF NANOSYSTEM OF OXIDE NITRIDE CERAMIC

A.I. Zimin, A.L. Sumenkov, V. V. Aseev

The work presents the results of the research for some mechanical properties of ul-trathin or high-dispersed powders of a number of ceramic materials oxide nitride composition, determining their behavior during storage, sealing, compaction, transportation. The character of dependence is detected for these properties based on the particles size of a powder, temperature, humidity, pressure of the gas environment.

Key words: adhesion, autohesion, nanosystems, ceramics.

Zimin Anatoliy Igorevich, candidate of technical science, docent, zi-min1951@yandex.ru, Russia, Novomoskovsk, The Novomoskovsk’s Institute (subdivision) of the Mendeleyev Russian Chemical-Technological University,

Sumenkov Aleksandr Leonidovich., candidate of technical science, docent, sumen-al@rambler.ru, Russia, Novomoskovsk, The Novomoskovsk’s Institute (subdivision) of the Mendeleyev Russian Chemical-Technological University,

Aseev Vladimir Viktorovich, senior teacher, Russia, Novomoskovsk, The Novomoskovsk’s Institute (subdivision) of the Mendeleyev Russian Chemical-Technological University