Исследование физико-механических свойств функциональных керамик на основе иттрий-алюминиевого граната
Выпускная квалификационная работа на тему “Исследование физико-механических свойств функциональных керамик на основе иттрий-алюминиевого граната”
Объект исследование: люминесцентная керамика на основе иттрий-алюминиевого граната активированного ионами церия полученная методом холодного одноосного статического прессования с последующим спеканием на воздухе.
Цель работы: исследование влияния ультразвукового воздействия, температуры спекания и давления прессования на микроструктуру и механические свойства люминесцентной керамики на основе иттрий-алюминиевого граната активированного ионами церия.
В результате работы определен технологический режим для получения люминесцентной керамики с высокой плотностью и хорошими оптическими свойствами.
Введение ………………………………………………………………………………………………….. 15
1 Обзор литературы …………………………………………………………………………………. 17
1.1 Оптическая люминесцентная керамика ……………………………………………….. 17
1.2 Характеристики исходных сырьевых материалов и керамики на их
основе …………………………………………………………………………………………………… 18
1.2.1 Физико-химические свойства иттрий-алюминиевого граната
(Y3Al5O12) …………………………………………………………………………………………… 18
1.2.2 Физико-химические свойства диоксида церия (CeO2)………………….. 20
1.3 Современное состояние технологии производства люминесцентной
керамики на основе Y3Al5O12 …………………………………………………………………. 22
1.4. Области применения люминесцентной керамики на основе Y3Al5O12 33
2. Материалы, оборудование и методы исследования ……………………………….. 35
2.1 Материалы исследования и методика консолидации ………………………… 35
2.2 Сканирующая электронная микроскопия………………………………………….. 37
2.3 Метод энергодисперсионного анализа ……………………………………………… 38
2.4 Метод лазерной дифракции ……………………………………………………………… 39
2.5 Метод измерения удельной поверхности ………………………………………….. 41
2.6 Метод рентгенофазового анализа……………………………………………………… 42
2.7 Методика измерения механических свойств …………………………………….. 43
2.8 Методика измерения фотолюминесценции ………………………………………. 46
3. Экспериментальная часть……………………………………………………………………… 48
4. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение.. 59
4.1 Оценка коммерческого потенциала исследования …………………………….. 59
4.1.1 Анализ конкурентных технических решений ………………………………. 59
4.1.2 SWOT-анализ …………………………………………………………………………….. 61
4.2 Организация и планирование работ ………………………………………………….. 62
4.2.1 Определение трудоёмкости выполнения работ ……………………………. 62
трещиностойкость образцов ……………………………………………………………….. 66
4.2.2 Расчет сметы затрат на выполнение проекта ……………………………….. 68
4.2.3 Расчет затрат на материалы ………………………………………………………… 68
4.2.4 Расчет затрат на оборудование ……………………………………………………. 69
4.2.5 Расчет заработной платы …………………………………………………………….. 69
4.2.6 Расчет затрат на социальный налог …………………………………………….. 70
4.2.7 Расчет затрат на электроэнергию ………………………………………………… 71
4.2.8 Расчет прочих расходов ……………………………………………………………… 72
4.2.9 Расчет общей себестоимости разработки …………………………………….. 72
4.2.10 Расчет прибыли ………………………………………………………………………… 73
4.2.11 Расчет НДС ………………………………………………………………………………. 73
4.2.12 Цена разработки НИР ……………………………………………………………….. 73
4.3 Заключение по разделу …………………………………………………………………….. 74
5 Социальная ответственность …………………………………………………………………. 75
5.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности …… 76
5.2 Производственная безопасность ………………………………………………………. 79
5.2.1 Анализ опасных и вредных производственных факторов…………….. 80
5.2.1.1 Отклонение показателей микроклимата ………………………………… 80
5.2.1.2 Воздействие химических веществ на кожу и верхние
дыхательные пути ……………………………………………………………………………. 81
5.2.1.3 Превышение уровня шума …………………………………………………….. 81
5.2.1.4 Отсутствие или недостаток естественного света ……………………. 82
5.2.1.5 Поражение электрическим током. …………………………………………. 82
5.2.2 Обоснование мероприятий по снижению уровней воздействия
опасных и вредных факторов на исследователя …………………………………… 84
5.2.2.1 Отклонение показателей микроклимата ………………………………… 84
5.2.2.2 Воздействие химических веществ на кожу и верхние
дыхательные пути ……………………………………………………………………………. 85
5.2.2.3 Превышение уровня шума …………………………………………………….. 86
5.2.2.4 Отсутствие или недостаток естественного света ……………………. 86
5.2.2.5 Поражение электрическим током ………………………………………….. 87
5.3 Экологическая безопасность…………………………………………………………….. 88
5.4 Безопасность в чрезвычайных ситуациях …………………………………………. 89
5.4.1 Анализ вероятных ЧС, которые могут возникнуть в лаборатории при
проведении исследований …………………………………………………………………… 89
5.4.2 Обоснование мероприятий по предотвращению ЧС и разработка
порядка действия в случае возникновения ЧС …………………………………….. 90
5.5 Заключение по разделу …………………………………………………………………….. 92
Заключение ……………………………………………………………………………………………… 93
Список используемой литературы ……………………………………………………………. 94
Приложение А ……………………………………………………………………………………….. 101
В настоящее время светоизлучающие диоды играют важную роль в
применении в качестве индикатора, подсветки, автомобильных фар и общего
освещения благодаря своим превосходным характеристикам, таким как
высока световая отдача, экономия энергии, экологичность и долговечность
[1-4].
В последнее десятилетие самым распространенным материалом
кристаллов в светодиодах белого света (WLED), является InGaN с
люминофором на основе иттрий-алюминиевого граната активированного
ионами церия, который наносится на поверхность кристалла и заливается
эпоксидной смолы и силиконом [5-8]. Однако эпоксидная смола или силикон
обладают низкой теплопроводностью и термостойкостью, они подвержены
деградации, происходящей из-за накопления тепла, испускаемого
микросхемой [9, 10]. Это вызывает ряд проблем при практическом
применении таких светодиодов: включая ухудшение качества
светоизлучение (LE), сдвиг спектра цветности, и существенно сокращает
срок службы светоизлучающих диодов [11, 12].
Решить данную проблему можно путем использования
люминесцентных керамических материалов на основе порошков различных
люминофоров, среди которых наиболее перспективным является иттрий-
алюминиевый гранат (Y3Al5O12, YAG) активированный ионами церия (Ce3+),
поскольку он является перспективным материалом, обладающим высокой
температурой плавления и термостойкостью и хорошими
электрофизическими показателями, в нём отсутствуют полиморфные
превращения. YAG:Ce-керамика может использоваться как
конструкционный элемент различных оптических приборов, работающих в
условиях ограниченной видимости, высоких температур, агрессивных сред.
В последние годы такая керамика стала использоваться при производстве
светоизлучающих диодов белого цвета в качестве преобразователей
излучения [13, 14].
Для эффективного использование люминесцентных керамических
материалов, в качестве преобразователей излучения, необходимо создание
высокоплотной керамической структуры. Процесс получения, которого
сопряжен с рядом проблем [15], решить которые возможно использованием
методов горячего прессования или электроимпульсного плазменного
спекания, однако это ведет к большим экономическим затратам [15].
В связи с этим, актуальным является использование рациональных
методов прессования с последующим спеканием, не требующих больших
затрат и позволяющих получить керамику с равномерной плотностью и
минимальной остаточной пористостью. К таким методам относят
ультразвуковое и коллекторное прессование [16], представляющие собой
модифицированный метод холодного статического одноосного прессования в
жестких пресс-формах.
Целью данной работы является исследование влияния
ультразвукового воздействия, температуры спекания и давления прессования
на микроструктуру и механические свойства люминесцентной керамики на
основе иттрий-алюминиевого граната активированного ионами церия.
В результате выполненной работы были изготовлены образцы
люминесцентной керамики. Исследовано влияния ультразвукового
воздействия, температуры спекания и давления прессования на
микроструктуру и механические свойства керамических образцов. Определен
оптимальный режим (температура спекание – 1650 оС, давление прессования
– 400 МПа, время выдержки – 8 часов) позволяющий получить
люминесцентную керамику высокой плотности (99,8%) и механическими
свойствами (микротвердость – 17,01 ГПа, трещиностойкость – 5,53
МПа*м1/2).
Сделаны следующие выводы:
1. Установлено, что увеличение температуры спекания от 1550 до
1650 оС, приводит к увеличению относительной плотности керамики с
82,26% до 99,78%, коэффициента вязкости разрушения с 3,92 до 5,53
МПа·м1/2 и микротвердости с 7,99 до 17,01 ГПа.
2. Замечено, что при повышении температуры спекания от 1550 оС
до 1700 оС происходит увеличение средних размеров зерна от 1,6 до 15,4 мкм
и средних размеров пор с 0,48 до 1,8 мкм у керамических образцов.
3. Установлено, что увеличение давления прессования от 50 до 400
МПа, приводит к незначительному увеличению плотности с 98,24% до
98,68%, коэффициента вязкости разрушения с 4,06 до 5,07 МПа·м1/2 и
микротвердости с 17,07 до 18,96 ГПа.
4. Ультразвуковое воздействие на порошковый компакт на основе
YAG:Ce в процессе прессования приводит к увеличению плотности на 1,5%,
повышению микротвердости на 0,2 ГПа и трещиностойкости на 0,4
МПа*м1/2.
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
4.8 (30 отзывов)
4.9 (5 отзывов)
4.9 (35 отзывов)
4.8 (105 отзывов)
4.2 (25 отзывов)
4.9 (37 отзывов)
4.9 (298 отзывов)
5 (14 отзывов)
4.7 (96 отзывов)
