Исследование структуры композита ZrO2-MgO методом фрактального анализа

Применение методов фрактального анализа растровых изображений керамического композита на основе ZrO2 и MgO для оценки самоподобия и шероховатости поверхности разрушения

ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………………………………………….. 14
ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР ……………………………………………………… 16
1.1 Фрактальная размерность ……………………………………………………………… 16
1.2 Исследование поверхности материалов методом фрактального анализа
…………………………………………………………………………………………………………. 20
1.3 Шероховатость …………………………………………………………………………….. 24
1.4 Пористые материалы …………………………………………………………………….. 27
1.5 Композиты на основе диоксида циркония ………………………………………. 29
1.6 Твердофазное спекание …………………………………………………………………. 31
ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА……………………………………………….. 33
2.1 Материалы …………………………………………………………………………………… 33
2.2 Методы ………………………………………………………………………………………… 34
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ КЕРАМИЧЕСКОГО
КОМПОЗИТА ZrO2(MgO)-MgO……………………………………………………………… 38
3.1 Исследование объемной усадки, плотности и поровой структуры ……. 38
3.2 Исследование предела прочности ………………………………………………….. 46
3.3 Исследование шероховатости поверхности …………………………………….. 48
3.4 Исследование фрактальной размерности ………………………………………… 52
ГЛАВА 4. ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ, РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ И
РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ ………………………………………………………………………. 55
4.1 Предпроектный анализ. Потенциальные потребители результатов
исследования …………………………………………………………………………………….. 55
4.2 Анализ конкурентных технических решений с позиции
ресурсоэффективности и ресурсосбережения ………………………………………. 57
4.3 SWOT-анализ ……………………………………………………………………………….. 59
4.4 План проекта ………………………………………………………………………………… 61
4.5 Бюджет научного исследования …………………………………………………….. 63
4.6 Разделение производственных работ на этапы и калькуляция расходов
…………………………………………………………………………………………………………. 69
ГЛАВА 5. СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ ………………………………….. 75
5.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности ….. 76
5.2 Производственная безопасность…………………………………………………….. 78
5.3 Анализ опасных и вредных производственных факторов ………………… 80
5.4 Экологическая безопасность …………………………………………………………. 86
5.5 Безопасность в чрезвычайных ситуациях ……………………………………….. 87
ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………………………………………….. 91
Список публикаций ……………………………………………………………………………….. 93
Список использованной литературы ……………………………………………………….. 94
Приложение А …………………………………………………………………………………….. 102

В данной работе были исследованы структура поверхности и
механические свойства пористой керамики на основе ультрадисперсных
плазмохимических порошков ZrO2(MgO) с добавлением MgO в различных
концентрациях. Поровая структура была сформирована с помощью введения
порообразующей добавки (СВМПЭ) в исходные порошковые составы. Образцы
спекались в широком интервале изотермической выдержки от 10 до 600 минут
при 1600 °С.
В ходе выполнения работ показано, что при одноосном формовании
порошков под давлением 150 МПа и после спекания, можно получить материал
с пористостью от 30 до 55%. Средний размер макро- и микропор изменялся в
зависимости от длительности изотермической выдержки: увеличение
длительности приводило к уменьшению макропор от 45 до 15 мкм и к
увеличению размера микропор от 3 до 8,8 мкм. Изменение концентрации MgO
в составе не оказывало существенного влияния на размеры пор.
Предел прочности пористых керамик изменялся с изменением
концентрации MgO: увеличение концентрации MgO от 0 до 100 % в
композиционной смеси снижает прочность в среднем от 19 до 3 МПа.
Увеличение длительности изотермической выдержки также приводит к
снижению предела прочности. Что может быть связано с выделением доли
MgO в свободном виде после достижения предела растворимости и
увеличением размера зерен.
Была определена среднеарифметическая шероховатость поверхности
образцов методом лазерной профилометрии и RI методом вертикальных
сечений. Зависимость индекса шероховатости от состава и параметров спекания
имеет характер, аналогичный такой же зависимости шероховатости,
измеренной с помощью лазерной профилометрии. Увеличение длительности
изотермической выдержки от 10 до 300 минут приводит к росту RI, выдержка
от 300 до 600 минут снижает шероховатость. При изотермической выдержке от
10 до 300 минут во время спекания происходит интенсивная объемная усадка,
уменьшение среднего размера макропор, увеличение среднего размера
микропор, что приводит к росту шероховатости. Шероховатость достигает
своего максимального значения при выдержке в 300 минут, на промежуточной
стадии спекания, которую можно охарактеризовать перемещением
межзеренных границ и усилением контактов. В течение завершающей стадии
спекания протекает процесс коалесценции пор и одновременный рост размера
зерна, что приводит к снижению шероховатости поверхности. Однако
наблюдалась существенная разница между Ra и RI в характере зависимости,
возникающая из-за прозрачности белых циркониевых керамик в видимой и
инфракрасной области.
Фрактальная размерность изменяется согласно стадиям твердофазного
спекания ZrO2 – MgO: увеличение D, также как и RI, происходит во время
зарождения межзеренных связей и интенсивной объемной усадки, однако,
достигает своего максимума к 180 минутам, при переходе на промежуточную
стадию спекания, что свидетельствует о формировании максимально развитой
поверхности. Затем к завершающей стадии фрактальная размерность
незначительно снижается и остается приблизительно одинаковой при
дальнейшем спекании. Увеличение фрактальной размерности также
происходит вместе с увеличением содержания MgO в составе образцов, что
может объясняться появлением большего количества трещин и фрагментов
зерен.
Список публикаций

1. Исследование поровой структуры в керамике ZrO2-MgO методом
измерения фрактальной размерности / Ю.А. Зенкина, А.С. Буяков //
Современные материалы и технологии новых поколений: сборник
научных трудов II Международного молодежного конгресса, г. Томск, 30
сентября-5 октября 2019 г. – Томск, 2019. – 214-215 с.
2. Фрактальная размерность поверхности разрушения пористого ZrO2-MgO/
А.С. Буяков, Ю.А. Зенкина, С.П. Буякова, С.Н. Кульков// International
Workshop “Multiscale Biomechanics and Tribology of Inorganic and Organic
Systems”; Международная конференция “Перспективные материалы с
иерархической структурой для новых технологий и надежных
конструкций”; VIII Всероссийская научно-практическая конференция с
международным участием, посвященная 50-летию основания Института
химии нефти” Добыча, подготовка, транспорт нефти и газа”: тезисы
докладов. – Томск, 2019. – С. 46.
3. Исследование структуры композита ZrO2-MgO методом фрактального
анализа / Ю.А. Зенкина, А.С. Буяков // Перспективные материалы
конструкционного и функционального назначения: сборник научных
трудов, г. Томск, 21 сентября- 25 сентября 2020 г. – Томск, 2020.