Формирование кристаллических фаз в оксидах алюминия и циркония в постоянном магнитном поле при спекании компактированных порошков
ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………………………………………………….. 4
ГЛАВА 1. МОДЕЛИ СТРУКТУР ОКСИДНЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
И ДИНАМИЧЕСКИЕ ИЗМЕНЕНИЯ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ВНЕШНИХ ФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ И СРЕД ……………………………….. 11
1.1. Кристаллография оксида алюминия и диоксида циркония: структурно-фазовые состояния и механические свойства ……………………………………………………………………. 11
1.2. Особенности нанокристаллических состояний оксидных систем ………………….. 23 1.3. Влияние внешних физических полей и сред на структуру и свойства оксидов . 27
1.4. Методы моделирования и модели микроструктур оксидных керамических материалов…………………………………………………………………………………………………………. 39
1.5. Постановка цели и задач работы ………………………………………………………………….. 42
ГЛАВА 2. ХАРАКТЕРИСТИКА ИСХОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ. МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И МОДЕЛИРОВАНИЕ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СТРУКТУР ………………………………………………………………………. 45
2.1 Характеристика исходных материалов ………………………………………………………….. 45 2.1.1 Характеристики исходных порошков Al2O3 и ZrO2……………………………………… 45 2.1.2 Характеристики порошка ВК-95…………………………………………………………………. 50 2.2 Методы и методики исследований свойств и структуры оксидных
порошковых материалов…………………………………………………………………………………….. 51
2.2.1 Измерение физико-механических характеристик………………………………………… 52
2.2.2 Методы рентгеновской дифракции …………………………………………………………….. 53
2.2.3 Сканирующая электронная и оптическая микроскопия……………………………….. 54
2.2.4 Дифференциальный термический анализ ……………………………………………………. 55
2.2.5 Измерение электрофизических характеристик ……………………………………………. 58
2.3 Методы математического моделирования многоуровневой кристаллической структуры и кристаллических фаз оксидных керамических материалов……………… 59
2.3.1 Кристаллогеометрический подход к моделированию оксидных кристаллических структур………………………………………………………………………………….. 60
2.4 Экспериментальные методы исследования ……………………………………………………. 63
2.4.1 Установка для спекания кристаллических материалов в постоянном магнитном поле………………………………………………………………………………………………….. 63
2.4.2 Методика подготовки образцов ………………………………………………………………….. 65 2.5 Структурно-методологическая схема диссертационного исследования …………. 66 2.6 Выводы по Главе 2 ……………………………………………………………………………………….. 68
ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ СТРУКТУР КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ФАЗ
ОКСИДОВ Al2O3, ZrO2 В РИМАНОВОЙ МОДЕЛИ СПЛОШНОЙ СРЕДЫ……………. 70
3.1 Замкнутая многоуровневая модель организации структуры кристалла………….. 70
3
3.1.1 Особенности замкнутой многоуровневой модели организации структуры кристалла …………………………………………………………………………………………………………… 73
3.1.2 Визуализация модельных построений с использованием RE-интерпретации… 75 3.2 Моделирование организации решетчатых систем основных
кристаллографических классов…………………………………………………………………………… 77 3.2.1 F-алгоритм построения точечных систем……………………………………………………. 77
3.2.2 Моделирование роста кристалла из одного и нескольких центров кристаллизации ………………………………………………………………………………………………….. 82
3.3 Моделирование электростатических полей ионов микроструктур кристаллических веществ и методика расчета электростатических характеристик 90
3.4 Моделирование кристаллических структур Al2O3, ZrO2 ……………………………….. 100 3.4.1 Методика сборки кристаллической структуры оксидных материалов……….. 101 3.4.2 Компьютерное моделирование микроструктур Al2O3 ………………………………… 102 3.4.3 Расчет критических размеров микроструктур Al2O3 ………………………………….. 104
3.5 Применение результатов моделирования кристаллических структур
оксидных материалов для формирования физического воздействия
симметричным постоянным магнитным полем …………………………………………………. 106
3.6 Выводы по Главе 3 ……………………………………………………………………………………… 108
ГЛАВА 4. СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ОКСИДНЫХ СИСТЕМ
Al2O3 И ZrO2 ПРИ СПЕКАНИИ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ СИММЕТРИЧНОГО ПОСТОЯННОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ ……………………………………………………………. 110
4.1 Экспериментальные исследования спекания оксидных систем
Al2O3, ZrO2 под воздействием симметричного постоянного магнитного поля ……. 110
4.2 Структурно-фазовые изменения оксидных систем при спекании под воздействием симметричного постоянного магнитного поля …………………………….. 113
4.2.1 Исследование физико-механических свойств оксидов ………………………………. 113
4.2.2 Исследование электрофизических свойств оксидов…………………………………… 130
4.2.3 Исследование ИК-спектров кристаллических фаз оксидов ………………………… 136
4.3 Особенности влияния симметричного постоянного магнитного поля на морфологию алюмооксидных керамических материалов…………………………………… 142
4.4 Выводы по Главе 4 ……………………………………………………………………………………… 147 ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………………………………………………………… 150 ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ……………………………………………………………………………………………… 152 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ…………………………………………………………………………………….. 154 ПРИЛОЖЕНИЕ …………………………………………………………………………………………………… 173
Актуальность работы. Алюмооксидные и циркониевые оксидные керами-
ческие материалы находят широкое применение в различных областях науки и техники благодаря уникальному сочетанию высоких показателей таких свойств, как огнеупорность, механическая прочность, химическая стойкость, диэлектриче- ские и оптические характеристики. Однако для распространенных в отечествен- ной промышленности способов получения оксидных материалов необходима вы- сокая температура спекания, которая для различных типов оксида Al2O3 и ZrO2 составляет более 1500 oC. Для активации процессов спекания оксидных материа- лов в настоящее время используется множество различных способов: механохи- мический, введение в состав спекающих добавок с появлением эвтектического сплава, обработка и предобработка в различных внешних физических полях (в микроволновом поле, ультразвуке, постоянных электрических и магнитных по- лях), а также обработка с использованием излучений различной природы (α-,γ-, лазерное, и др.).
Поиск новых технологических приемов для активации спекания и улучше- ния свойств оксидной керамики требует детального исследования фундаменталь- ных закономерностей формирования физико-механических характеристик и раз- работки моделей структур оксидных материалов на различных мезо- и макромас- штабных уровнях. Актуальным является исследование влияния магнитного поля на процессы спекания и формирования кристаллических структур полиморфного состава алюмооксидных керамических материалов. Направленные изменения энергетических состояний кристаллических микроструктур (магнитное упорядо- чение, дефектная структура) в оксидных материалах, формируемые под действи- ем постоянного магнитного поля, и термодинамический переход при магнитной активации способствуют эволюции упруго-пластической деформации материала, формированию полей механических напряжений и форм микроструктур и тем са- мым определяют режим управления процессом спекания и релаксации микро- структур.
5
Работа выполнялась при финансовой поддержке: Минобрнауки Российской
Федерации (соглашение No 14.575.21.0139, идентификатор RFMEFI57517X0139) и Российского научного фонда (грант No 17-19-01082).
Степень разработанности темы
Термомагнитный метод спекания кристаллических материалов в постоян- ном магнитном поле показал свои уникальные возможности при спекании и об- жиге некоторых диэлектриков (алмаз, топаз, полудрагоценные минералы), интер- металидов Al2-xFe, а также при обогащении минерального сырья.
Существенный вклад в изучении механизмов формирования и модификации микроструктур диэлектриков (немагнитных кристаллов) под действием внешних электрических и магнитных полей внесли: С.В. Вонсовский, А.И. Ахиезер, Н.П. Лякишев, Е.В. Туров, Г.И. Дистлер, В.И. Альшиц, Е.В. Даринская, В.И. Громов, П.А. Чернавский, В.М. Финкель и другие ученые. Электрические и магнитные пе- реходы в нанокластерах и наноструктурах исследовались: Суздалевым И.П., Бу- равцевым В.Н., Френкелем Я.И. и др.
На основе вычислительного моделирования физико-химических свойств и форм нано-, микрокристаллов оксидной керамики рассчитаны оптимальные раз- меры микроструктур и технические требования к установке для спекания. В рабо- тах Руднева С.В., Семухина Б.С., Сергеева А.Н., и др. разработан геометрический подход к интерпретации кристаллографических групп для физических процессов и явлений протекающих при термическом и магнитном воздействии на кристал- лические структуры диэлектрика. На сегодняшний день не обнаружено работ по изучению влияния постоянного магнитного поля на физические свойства оксидов алюминия и циркония при спекании компактированных порошков промышлен- ных марок или близких по составу к промышленным.
Объект исследования – структурно-фазовые состояния спекаемых компактированных порошков оксида алюминия и диоксида циркония.
Предмет исследования – физические процессы формирования полиморф- ного состава и структуры оксидов алюминия и циркония в постоянном магнитном поле при термической обработке компактированных порошков.
6
Цель работы: определение закономерностей формирования структуры
кристаллических фаз в оксидах алюминия и циркония в постоянном магнитном поле при спекании компактированных порошков.
Для достижения указанной цели решались следующие задачи:
1. Разработка феноменологической модели формирования структуры реаль- ных кристаллов оксидов алюминия и циркония на основе кристаллогеометриче- ского подхода к решётчатым структурам.
2. Разработка алгоритма и компьютерной программы для моделирования микроструктур Al2O3 и ZrO2, а также выбора эффективных методик и режимов термомагнитного спекания оксидных материалов с целью улучшения их струк- турных характеристик (с целью управления их структурно-фазовымсостоянием).
3. Построение физической модели процессов, протекающих в оксидных компактированных порошках при спекании 1200-1400 C в постоянном магнитном поле.
4. Экспериментальные исследования термомагнитного эффекта воздействия внешнего постоянного магнитного поля на процессы преобразования кристалли- ческих фаз и структурной релаксации, а также выявление особенностей процессов фазо- и структурообразования, протекающих при формировании микроструктур.
5. Разработка технологических основ спекания пористых компактирован- ных порошков на основе оксидов (Al2O3, ZrO2) в постоянном магнитном поле.
Научная новизна работы
1. Предложена феноменологическая модель организации наноструктурных систем Al2O3 и основных видов примесей, участвующих в формировании кри- сталлических подрешеток , , и Al2O3 на основе риманова представления (способа описания) электростатических полей ионов Аl3+, Zr4+, O2-, Ca2+, Fe2+, Fe3+ и Mg2+ для случая парных взаимодействий ионов с учетом распределения заряда на поверхности.
2. Впервые установлено, что воздействие кристаллографически симметри- зованным постоянным магнитным полем B=0,02–1 Тл, в оксиде алюминия при спекании T=1200 C, повышает содержание фазы -Al2O3 при пониженной темпе-
7
ратуре обработки и приводит к направленным преобразованиям кристаллической
структуры в сторону повышения на 25% прочности образцов.
3. Установлено, что в процессе спекания в постоянном магнитном поле
происходит частичное упорядочивание микроструктур оксидов алюминия и цир- кония (структурных единиц, блоков) за счет направленного действия собственно- го кристаллического поля, а также ориентационного воздействия, оказываемого постоянным магнитным полем, и последующей перекристаллизацией исходной структуры. Особенности упорядочения микроструктур определяются типом соот- ветствия группы симметрии кристаллического поля и кристаллографической группы симметрии микрокристаллических структур.
Теоретическая значимость работы
Определены закономерности формирования кристаллических структур Al2O3, ZrO2 под действием постоянного магнитного поля при спекании компакти- рованных порошков. Разработаны физические модели нано-, микроструктур ок- сида алюминия и диоксида циркония на основе римановых представлений сплошной среды с положительной метрикой.
Практическая значимость
Полученные в работе результаты, имеют важное практическое значение для технологии и материаловедения диэлектриков, вакуумной техники и в производ- стве конденсаторной и огнеупорной керамики. Практическая значимость заклю- чается в следующем:
1. Разработана микроструктурная модель формирования наносистем Al2O3 и пакет компьютерных программ «rСrystal 1.0», обеспечивающий расчеты электро- статических полей ионов в римановом представлении (эллиптическая геометрия Римана V3, K=1). Получено свидетельство об официальной регистрации програм- мы для ЭВМ No2011611307.
2. Разработаны физические приемы технологии спекания оксидных материалов в постоянном магнитном поле B=0,02–1 Тл c заданной симметрией С3 на примере оксидов алюминия и циркония.
8
3. Разработаны технологические рекомендации по формированию и моди-
фикации кристаллических структур Al2O3 при спекании в постоянном магнитном поле, что позволило снизить температуру обработки сырья на 150C. Рассчитаны параметры внешнего магнитного поля (B, симметрия) в установке для обжига корунда на основе моделирования геометрических параметров микроструктур Al2O3. Разработан технологический регламент для термической обработки в постоянном магнитном поле оксидов алюминия и циркония.
Методология работы
Методология работы включает предварительное моделирование кристалли- ческих решеток оксида алюминия и диоксида циркония, их микроструктур, моде- лирование электростатических полей ионов. Формирование кристаллических фаз осуществлялось методом спекания в постоянном симметричном магнитном поле на специальной созданной установке.
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
5 (145 отзывов)
4.9 (20 отзывов)
4.6 (71 отзыв)
5 (174 отзыва)
4.6 (92 отзыва)
4.8 (373 отзыва)
4.7 (46 отзывов)
4.8 (17 отзывов)
4.2 (6 отзывов)
