ДИЛАТОМЕТРИЯ КЕРАМИК НА ОСНОВЕ ОКСИДОВ АЛЮМИНИЯ И ЦИРКОНИЯ, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ РАСПЫЛИТЕЛЬНОЙ СУШКИ

Тайыбов А.Ф.¹, Илела А.Э.², Лямина Г. В.³

¹Магистр; ²аспирант; ³доцент, кандидат химических наук, Томский политехнический университет

ДИЛАТОМЕТРИЯ КЕРАМИК НА ОСНОВЕ ОКСИДОВ АЛЮМИНИЯ И ЦИРКОНИЯ, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ РАСПЫЛИТЕЛЬНОЙ СУШКИ

Аннотация

Показано, что 10% добавка нанопорошков, полученных из растворов, позволяет снизить КЛТР образцов из коммерческого оксида циркония (ПЦИ 8) в 2,5 раза, из оксида алюминия (ALMATIS) в 1,5 раза. Установлено, что процесс спекания прессовок из порошков, полученных в работе, начинается на 100 ^оС ниже, чем у коммерческих порошков.

Ключевые слова: химические методы синтеза нанопорошков, дилатометрия, распылительная сушка, оксид алюминия, диоксид циркония.

Tayybov A.F.¹, Ilela A.E.², Lyamina G.V.³

¹Graduate student; ²Postgraduate student; ³PhD in Chemistry, associate professor, Tomsk Polytechnic University

DILATOMETRY CERAMICS BASED ALUMINUM AND ZIRCONIUM OXIDES OBTAINED BY NANOSPRAY DRYER

Abstract

It is shown that 10% of nanoadditive obtained from the solutions can reduce the LTEC of samples from commercial zirconium oxide (PCI 8) is 2.5 times of aluminum oxide (ALMATIS) 1.5 times. Found that the sintering of compacts of the powders obtained in the work begins at 100 °C lower than that of commercial powders.

Keywords: chemical synthesis of nanopowders, dilatometry, nanospray dryer, aluminum oxide, zirconium dioxide

Несмотря на то, что количество научных разработок по получению нанопорошков керамики велико, в том числе в России, проблема надежных поставщиков сырья для промышленных предприятий весьма актуальна. При освоении и внедрении новых технологий российские предприятия зачастую вынуждены приобретать наноразмерные керамические порошки за рубежом.

Целью данной работы является получение частиц оксида алюминия и оксида циркония из водных растворов методом распылительной сушки [1] и оценка влияния введения синтезированных порошков в состав прессовок на их дилатометрические характеристики.

Порошки оксидов алюминия и циркония были получены двумя методами химическим осаждением и распылительной сушкой из водных растворов по методике, описанной в работах [2, 3]. Для изучения процессов спекания и определения коэффициентов линейного расширения компактов на основе данных порошков, нами были использованы модельные цилиндрические образцы (h = 3 мм; d = 6 мм) различного состава, полученные с помощью холодного прессования (P = 312 МПа). Для изготовления компактов были использованы также порошки коммерческих марок ПЦИ-8 (ZrO₂) и ALMATIS (Al₂O₃) (табл. 1).

Таблица 1 – Состав компактов

№	Диоксид циркония				№	Оксид алюминия
	Тип порошка	С, % масс.	Тип порошка	С, % масс.		Тип порошка	С, % масс.	Тип порошка	С, % масс.
1	РС	100	–	–	6	РС	100	–	–
2	ХО	100	–	–	7	ХО	100	–	–
3	ПЦИ-8	100	–	–	8	ALMATIS	100	–	–
4	ПЦИ-8	90	РС	10	9	ALMATIS	90	РС	10
5	ПЦИ-8	90	ХО	10	10	ALMATIS	90	ХО	10

(РС – порошок, полученный распылительная сушка, ХО – порошок, полученный химическим осаждением)

Гранулы оксида циркония плотные и полые от 1 до 10 мкм; гранулы оксида алюминия имеют более рыхлую структуру – они состоят из отдельных частиц, размер которых не превышает 100 нм. Фазовый состав порошков представлен в табл. 2

Для изучения процессов спекания прессовок из порошков оксидов алюминия и циркония, а также для определения КЛТР спеченных образцов был использован высокотемпературный вакуумный дилатометр NETZSCH DIL 402 E/7/G-Py.

На рис. 1 представлены кривые спекания диоксида циркония.

Таблица 2 – Результаты РФА синтезированных порошков

Порошок	Метод выделения	Размер ОКР	Фазовый состав
Al2O3	РС	77 нм	α – Al2O3
	ХО	85нм	α – Al2O3
ZrO2	РС	Mon. – 13 нм; Tet. – 15 нм	Mon. – 24 %; Tet. – 76 %
	ХО	Mon. – 12 нм; Tet. –17 нм	Mon. – 53 %; Tet. – 47 %

Из графиков видно, что процесс спекания начинается у всех прессовок при температуре около 500 °С и протекает в несколько стадий, кроме образца полученного химическим осаждением. У образцов ПЦИ-8 и с 10% добавкой наблюдается один перегиб, который связан с моноклинно-тетрагональным переходом. А у порошка полученного распылительной сушкой 2 перехода. Видимо, этот переход связан с укрупнением частиц оксида. Это предположение подтверждается данными дифференциальной сканирующей калориметрии: на ДСК кривой данного образца при температуре 1200 °С наблюдается эндо эффект.

На рис. 1, б представлены кривые спекания оксида алюминия. Из графиков видно, что процесс активного спекания начинается у прессовок полученных химическим осаждением и распылительной сушкой при температуре на 100^оС ниже, по сравнению с порошком ALMATIS. Это связано с меньшими размерами частиц порошка.

Для всех спеченных образцов был рассчитан коэффициент линейного расширения (КЛТР). Из табл. 3 видно, что для прессовок, на основе оксида циркония, из полученных нами порошков, и смесей характерна большая плотность. Это в свою очередь обуславливает меньшую усадку при спекании таких образцов по сравнению с ПЦИ-8 без добавок. Введение порошков, полученных как химическим осаждением, так и распылительной сушкой, в состав компактов, позволяет существенно снизить коэффициенты линейного температурного расширения спеченных. При этом КЛТР образцов на основе смесей порошков имеют отрицательные значения. Видимо в этом случае благодаря наличию ZrO₂ различных модификаций, обладающих разными коэффициентами линейного расширения, образуются микротрещины, способствующие более свободному смещению зерен при изменении температуры. В табл. 3 также представлены данные прессовок на основе оксида алюминия. Здесь, напротив, образец, изготовленный на основе смеси синтезированного и коммерческого порошка, имеет большую плотность после прессования. Усадка образца с 10% добавкой частиц, полученных распылительной сушкой меньше, чем у индивидуальных образцов.

Таблица 3 – КЛТР компактов на основе ZrO₂

Состав компакта	Плотность прессовок, г/см3	Усадка после спекания, %	КЛТР  ·10-6 (1/K) Т = 300–1000 °С
1	3,2	14,8	9,98
2	2,8	11,2	7,64
3	2,44	27,1	10,97
4	2,57	18,29	-4,21
5	2,55	20,97	-2,99
6	1,66	30,11	9,67
7	1,76	27,27	9,30
9	2,52	13,45	6,52

Выводы

1. На кривой спекания оксида циркония, полученного распылительной сушкой, выявлено два перегиба, соответствующие моноклинно-тетрагональному переходу и росту частиц оксида циркония.
2. Показано, что процесс активного спекания начинается у прессовок из порошков Al₂O₃, полученных химическим осаждением и распылительной сушкой при температуре на 100 ^оС ниже, по сравнению с порошком марки ALMATIS.
3. Установлено, что 10%-ная добавка оксида циркония полученного химическим осаждением, позволяет снизить КЛТР образцов на основе порошков ПЦИ-8 в 3 раза; 10 %-ная добавка оксида циркония полученного распылительной сушкой – в 2,5 раза.
4. Установлено, КЛТР образцов на основе смеси коммерческого порошка с 10%-ной добавкой оксида алюминия, полученного распылительной сушкой, позволяет получить КЛТР в 1,5 раза ниже, чем у образцов, без добавок.