Разработка люминесцентных керамик на основе диоксида циркония и алюмо-магниевой шпинели

В работе исследовано влияние концентрации европия на оптические и физико-механические свойства керамик на основе алюмомагниевой шпинели и иттрий стабилизированного диоксида циркония полученных методом электроимпульсного плазменного спекания

Реферат ………………………………………………………………………………………………….. 7

Список условных сокращений. ……………………………………………………………….. 9

Введение ………………………………………………………………………………………………. 12

1. Обзор литературы …………………………………………………………………………. 14

1.1 Физико-химические свойства исследуемых материалов ……………. 14

1.2 Методы получения прозрачной керамики…………………………………. 17

1.3 Потенциальные и фактические области применения исследуемых
типов керамики. ……………………………………………………………………………………… 30

2. Материалы, оборудование и методики проводимых исследований …….. 32

2.1 Электроимпульсное плазменное спекание ………………………………… 32

2.2 Механическая обработка ………………………………………………………….. 35

2.3 Метод лазерной дифракции ……………………………………………………… 36

2.4 Метод Брюнера-Эммета-Теллера ……………………………………………… 37

2.5 Плотность. Гидростатическое взвешивание. …………………………….. 39

2.6 Измерение физико-механических и оптических свойств …………… 39

2.7 Электронная микроскопия. ………………………………………………………. 42

2.8 Рентгенофазовый анализ ………………………………………………………….. 42

3. Экспериментальные данные по проведенным исследованиям ……………. 44

3.1 Характеризация порошков ……………………………………………………….. 44

3.2 Исследование полученных образцов ………………………………………… 46

Заключение ………………………………………………………………………………………….. 57

4. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение60

4.1 Оценка коммерческого потенциала исследования ………………….. 60
4.2 Организация и планирование работ. ………………………………………. 62

4.3 Определение трудоемкости выполнения работ ………………………. 63

4.4. Расчет сметы затрат на выполнение проекта ……………………………. 67

4.5. Расчет амортизационных расходов ………………………………………….. 68

4.6. Расчет затрат на электроэнергию …………………………………………….. 69

4.7. Основная заработная плата ……………………………………………………… 70

4.8. Расчет затрат на социальный налог …………………………………………. 71

4.9 Накладные расходы …………………………………………………………………. 72

4.10 Расчет общей себестоимости разработки ………………………………… 72

4.11 Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой,
бюджетной, социальной и экономической эффективности исследования … 73

4.12. Выводы по разделу ……………………………………………………………….. 77

5 Социальная ответственность ……………………………………………………………… 80

5.1 Введение………………………………………………………………………………….. 80

5.2 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности81

5.3 Анализ опасных и вредных производственных факторов. …………. 84

5.4 Мероприятия по снижению уровня воздействия опасных факторов
на исследователя ……………………………………………………………………………………. 88

5.5 Экологическая безопасность…………………………………………………….. 90

5.6 Безопасность в чрезвычайных ситуациях …………………………………. 92

5.7 Выводы по разделу ………………………………………………………………….. 95

ПРИЛОЖЕНИЕ A ………………………………………………………………………………… 96

Список литературы …………………………………………………………………………….. 115

1 Хасанов О.Л., Двилис Э.С., Бикбаева З.Г. Методы компактирования
и консолидации наноструктурных материалов и изделий. – Томск: Изд-во
Том. политехн. ун-та, 2008. – 212 с.
2 Peuchert U. et al. Transparent cubic-ZrO2 ceramics for application as
optical lenses //Journal of the European Ceramic Society. – 2009. – Т. 29. – №. 2.
– С. 283-291.
3 Григорьев Е. Г., Калин Б. А. Электроимпульсная технология
формирования материалов из порошков. – 2008.
4 Качаев, А. А. Оптически прозрачная керамика (Обзор) / А. А.
Качаев, Д. В. Гращенков, Ю. Е. Лебедева [и др.] // Стекло и керамика. ―
2016. ― № 4. ― С. 3‒10.
5 Lin J. D., Duh J. G. Fracture toughness and hardness of ceria-and yttria-
doped tetragonal zirconia ceramics //Materials Chemistry and Physics. – 2003. –
Т. 78. – №. 1. – С. 253-261.
6 Шевченко А. В. и др. Технология изготовления и физико-
химические свойства керамики на основе нанокристаллического порошка
композитадиоксидациркония//Наносистеми,наноматеріали,
нанотехнології. – 2014.
7 Jiang C. et al. Enhanced Eu3+ emission of Eu2+/Eu3+:(Y0.9La0.1)2O3
transparent ceramics synthesized in H2 atmosphere for modern lighting and
display //Materials Letters. – 2014. – Т. 130. – С. 296-298.
8 Maia A. S. et al. Luminescent nanoparticles of MgAl2O4: Eu, Dy
prepared by citrate sol–gel method //Optical Materials. – 2008. – Т. 31. – №. 2. –
С. 440-444.
9 Anselmi‐Tamburini U., Woolman J. N., Munir Z. A. Transparent
nanometric cubic and tetragonal zirconia obtained by high‐pressure pulsed
electric current sintering //Advanced Functional Materials. – 2007. – Т. 17. – №.
16. – С. 3267-3273.
10 Титов В. И., Гундобин Н. В., Пилипенко Л. В. ОПРЕДЕЛЕНИЕ
ЦИРКОНИЯ В СПЛАВАХ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА //Труды ВИАМ. – 2016.
– №. 7 (43)..
11 Блюменталь У. Б. Химия циркония. – Рипол Классик, 1963..
12 McMeeking R. M., Evans A. G. Mechanics of transformation‐
toughening in brittle materials //Journal of the American Ceramic Society. –
1982. – Т. 65. – №. 5. – С. 242-246.
13 Stump D. M., Budiansky B. Crack-growth resistance in transformation-
toughened ceramics //International journal of solids and structures. – 1989. – Т.
25. – №. 6. – С. 635-646.
14 Красный А. В. Разработка процессов получения керамических
материалов на основе циркона : дис. – Пермь : автореф. дис. на соискание
уч. ст. канд. т. наук: 05.16. 06. Александр Борисович Красный, 2009.
15 Бонштедт-Куплетская Э.М., Чухров Ф.В. Издание: Наука, Москва,
1967 г., 676 стр.
16 Синтез и исследование физико-химических свойств нанопорошков
ванадата иттрия и алюмомагниевой шпинели тема диссертации и
автореферата по ВАК РФ 05.27.06, кандидат химических наук Гольева,
Елена Владимировна
17 Kim W. et al. Overview of transparent optical ceramics for high-energy
lasers at NRL //Applied optics. – 2015. – Т. 54. – №. 31. – С. F210-F221.
18 Krell A., Klimke J., Hutzler T. Transparent compact ceramics: inherent
physical issues //Optical Materials. – 2009. – Т. 31. – №. 8. – С. 1144-1150.
19 Yu N. et al. Ion beam analysis of MgAl2O4 spinel irradiated with fast
neutrons to 50–250 dpa //Journal of nuclear materials. – 1996. – Т. 239. – С. 284-
290.
20 Sickafus K. E., Yu N., Nastasi M. Amorphization of MgAl2O4 spinel
using 1.5 MeV Xe+ ions under cryogenic irradiation conditions //Journal of
nuclear materials. – 2002. – Т. 304. – №. 2-3. – С. 237-241.
21 Clinard Jr F. W., Hurley G. F., Hobbs L. W. Neutron irradiation damage
in MgO, Al2O3 and MgAl2O4 ceramics //Journal of Nuclear Materials. – 1982. –
Т. 108. – С. 655-670.
22 Coghlan W. A. et al. Swelling of spinel after low-dose neutron
irradiation //Journal of Nuclear Materials. – 1986. – Т. 141. – С. 382-386.
23 Coghlan W. A. et al. Continued swelling of spinel after neutron
irradiation. – 1986. – №. DOE/ER–0113/5.
24 Haire R. G., Eyring L. Comparisons of the binary oxides //Handbook on
the Physics and Chemistry of Rare Earths. – 1994. – Т. 18. – С. 413-505.
25 Eyring L. R. The binary rare earth oxides //Handbook on the physics
and chemistry of rare earths. – 1979. – Т. 3. – С. 337-399.
26 Gilchrist K. E., Brown R. G., Preston S. D. Physical properties of
europium sesquioxide //Journal of Nuclear Materials. – 1977. – Т. 68. – №. 1. –
С. 39-47.
27 Curtis C. E., Tharp A. G. Ceramic properties of europium oxide
//Journal of the American Ceramic Society. – 1959. – Т. 42. – №. 3. – С. 151-
156.
28 Stecura S., Campbell W. J. Thermal expansion and phase inversion of
rare-earth oxides. – Bureau of Mines. College Park Metallurgy Research Center,
Md., 1960. – №. BM-RI-5847.
29 Luna H. et al. Nanostructured europium oxide thin films deposited by
pulsed laser ablation of a metallic target in a He buffer atmosphere //Journal of
Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films. – 2010. – Т.
28. – №. 5. – С. 1092-1098.
30 Ainscough J. B., Moore D. A., Osborn S. C. Europia ceramics for use as
fast reactor neutron absorbers //Ceramurgia International. – 1977. – Т. 3. – №. 1.
– С. 18-24.
31 Матренин С.В., Слосман А.И. Техническая керамика. – Томск: Изд-
во Том. политехн. ун-та, 2004. – 75 с.
32 Баранов Ю. В. и др. Физические основы электроимпульсной и
электропластической обработок и новые материалы. – 2001.
33 Болдин М. С. Физические основы технологии электромпульсного
плазменного спекания //Нижний Новгород. – 2012. – С. 59.
34 Попильский Р. Я., Пивинский Ю. Е. Прессование порошковых
керамических масс //М.: Металлургия. – 1983. – Т. 2.
35 Scheil E. Über die Umwandlung des Austenits in Martensit in Eisen‐
Nickellegierungen unter Belastung //Zeitschrift für anorganische und allgemeine
Chemie. – 1932. – Т. 207. – №. 1. – С. 21-40.
36 Романова Р. Г. и др. Керамические материалы, синтезированные
методомискровогоплазменногоспекания//ВестникКазанского
технологического университета. – 2011. – №. 11.
37 Парыгин М. А., Андраковская К. Э., Каченюк М. Н. ПЛАЗМЕННО-
ИСКРОВОЕСПЕКАНИЕКАКПЕРСПЕКТИВНЫЙМЕТОД
КОНСОЛИДАЦИИ НИТРИДКРЕМНИЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ //Master’s
Journal. – 2013. – №. 2. – С. 34-39.
38 Mazdiyasni K. S., Lynch C. T., II J. S. S. Cubic phase stabilization of
translucent yttria‐zirconia at very low temperatures //Journal of the American
Ceramic Society. – 1967. – Т. 50. – №. 10. – С. 532-537..
39 Durán P. et al. Preparation, Sintering, and Properties of Translucent
Er2O3‐Doped Tetragonal Zirconia //Journal of the American Ceramic Society. –
1989. – Т. 72. – №. 11. – С. 2088-2093.
40 Wang S. F. et al. Transparent ceramics: processing, materials and
applications //Progress in Solid State Chemistry. – 2013. – Т. 41. – №. 1-2. – С.
20-54.
41 Саенко С. Ю. и др. Получение нанокерамики на основе диоксида
циркония методом горячего вакуумного прессования //Физика и техника
высоких давлений. – 2008.
42 Шевченко А. В., Рубан А. К., Дудник Е. В. Высокотехнологичная
керамика на основе диоксида циркония //Огнеупоры и техническая
керамика. – 2000. – №. 9. – С. 2-8.
43 Tsukuma K. Transparent titania-yttria-zirconia ceramics //Journal of
materials science letters. – 1986. – Т. 5. – №. 11. – С. 1143-1144.
44 Esposito L. et al. A thermodynamic approach to obtaining transparent
spinel (MgAl2O4) by hot pressing //Journal of the European Ceramic Society. –
2015. – Т. 35. – №. 2. – С. 651-661.
45 Casolco S. R., Xu J., Garay J. E. Transparent/translucent polycrystalline
nanostructured yttria stabilized zirconia with varying colors //Scripta Materialia. –
2008. – Т. 58. – №. 6. – С. 516-519.
46 Trunec M., Chlup Z. Higher fracture toughness of tetragonal zirconia
ceramics through nanocrystalline structure //Scripta Materialia. – 2009. – Т. 61. –
№. 1. – С. 56-59.
47 Vahldiek F. W. Translucent ZrO2 prepared at high pressures //Journal of
the Less Common Metals. – 1967. – Т. 13. – №. 5. – С. 530-540..
48 Khor K. A., Gu Y. W. Hot isostatic pressing of plasma sprayed yttria-
stabilized zirconia //Materials Letters. – 1998. – Т. 34. – №. 3-6. – С. 263-268.
49 Bernard-Granger G. et al. Spark plasma sintering of a commercially
available granulated zirconia powder: comparison with hot-pressing //Acta
Materialia. – 2010. – Т. 58. – №. 9. – С. 3390-3399..
50 Жуков А. В. и др. Синтез нанопорошков для оптически прозрачной
керамики на основе иттрий-алюминиевого граната //Успехи в химии и
химической технологии. – 2016. – Т. 30. – №. 6 (175).
51 Белых Г. И., Грицына В. Т., Удалова Л. В. Структурные и
механические свойства оптической керамики из магний-алюминиевой
шпинели //Вопросы атомной науки и техники. – 2004.
52 Srdić V. V., Winterer M., Hahn H. Sintering behavior of nanocrystalline
zirconia prepared by chemical vapor synthesis //Journal of the American Ceramic
Society. – 2000. – Т. 83. – №. 4. – С. 729-736.
53 Fu P. et al. Transparent polycrystalline MgAl2O4 ceramic fabricated by
spark plasma sintering: Microwave dielectric and optical properties //Ceramics
International. – 2013. – Т. 39. – №. 3. – С. 2481-2487.
54 Bernard-Granger G. et al. Influence of graphite contamination on the
optical properties of transparent spinel obtained by spark plasma sintering
//Scripta materialia. – 2009. – Т. 60. – №. 3. – С. 164-167.
55 Баланкин С. А. и др. Тепловые процессы при электроимпульсном
прессовании порошков //Физика и химия обработки материалов N. – 1984. –
Т. 2. – С. 124-129.
56 Wang K. et al. Study on atom diffusion under the treatment by pulse
current heating //Materials Science and Engineering: B. – 2006. – Т. 135. – №. 2.
– С. 154-161.
57 Белявин К. Е. и др. Теория и практика электроимпульсного
спекания пористых порошковых материалов //Минск: Ремико. – 1997..
58 Франк-Каменецкий Д. А. Лекции по физике плазмы. — М.:
Атомиздат, 1968. — 285 с
59 Хасанов А. О. Разработка составов и технологии спарк-
плазменного спекания керамических материалов, композитов на основе
микро-и нанопорошков В [4] С: диссертация на соискание ученой степени
кандидата технических наук: спец. 05.17. 11 : дис. – 2015..
60 Vidya Y. S. et al. Combustion synthesized tetragonal ZrO 2: Eu3+
nanophosphors: structural and photoluminescence studies //Spectrochimica Acta
Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy. – 2015. – Т. 135. – С. 241-
251.
61 Valiev D. et al. Luminescent properties of MgAl2O4 ceramics doped
with rare earth ions fabricated by spark plasma sintering technique //Ceramics
International. – 2018. – Т. 44. – №. 17. – С. 20768-20773.
62 Nagayama H. et al. Development of colored zirconia ceramics //TOSOH
Research & Technology Review. – 2009. – Т. 53. – С. 53-56.
63 Ganesh I. A review on magnesium aluminate (MgAl2O4) spinel:
synthesis, processing and applications //International Materials Reviews. – 2013.
– Т. 58. – №. 2. – С. 63-112.
64 Popat K. C. et al. Osteogenic differentiation of marrow stromal cells
cultured on nanoporous alumina surfaces //Journal of biomedical materials
research Part A. – 2007. – Т. 80. – №. 4. – С. 955-964.
65 Вересов А. Г., Путляев В. И., Третьяков Ю. Д. Достижения в
области керамических биоматериалов //Российский химический журнал. –
2000. – Т. 94. – №. 6.4. – С. 2.
66 Лебеденко И. Ю. и др. Диоксид циркония в стоматологическом
материаловедении //Российский стоматологический журнал. – 2010. – №. 2.
– С. 4-6.
67 Chevalier J., Gremillard L., Deville S. Low-temperature degradation of
zirconia and implications for biomedical implants //Annu. Rev. Mater. Res. –
2007. – Т. 37. – С. 1-32.
68 Piconi C., Maccauro G. Zirconia as a ceramic biomaterial
//Biomaterials. – 1999. – Т. 20. – №. 1. – С. 1-25.
69 Horvath-Bordon E. et al. High-pressure chemistry of nitride-based
materials //Chemical Society Reviews. – 2006. – Т. 35. – №. 10. – С. 987-1014.
70 Гаршин А.П., Гропянов В.М., Зайцев Г.П., Семенов С.С. Керамика
для машиностроения. — М.: Научтехлитиздат, 2003. — 384 с
71 Balabanov S. S. et al. Fabrication and measurement of optical and
spectral properties of the transparent Yb: MgAl2O4 ceramics //Optical Materials.
– 2017. – Т. 71. – С. 17-22.
72 ГОСТ Р. Р 8.777-2011 Дисперсный состав аэрозолей и взвесей.
Определение размеров частиц по дифракции лазерного излучения //Москва,
Стандартинформ. – 2012. – Т. 2. – С. 3.
73Изображениессайтапроизводителя
http://www.ssi.shimadzu.com/products/product.cfm?product=sald-7101.
74 ГОСТ 15139-69. Пластмассы. Методы определения плотности
(объемной массы). Действующий от 1980г.
75 Андриевский Р. А., Ланин А. Г., Рымашевский Г. А. Прочность
тугоплавких соединений. – Металлургия, 1974.
76 Хрустов В. Р. Разработка и исследование керамик на основе
нанопорошков оксидов алюминия, циркония и церия //Екатеринбург, ИЭФ
УрО РАН. – 2010.
77 Григорович В.К. Твѐрдость и микротвѐрдость металлов. – М.:
Наука,1976. – 230 с.
78 Головин Ю. И. Наноиндентирование как средство комплексной
оценки физико-механических свойств материалов в субмикрообъемах
(обзор) //Заводская лаборатория. Диагностика материалов. – 2009. – Т. 75. –
№. 1. – С. 45-59.
79ГеллерЮ.А.,РахштадтА.Г.Материаловедение.–М.:
Металлургия. – 1989. – 454 с.
80 Niihara K. A fracture mechanics analysis of indentation-induced
Palmqvist crack in ceramics //Journal of materials science letters. – 1983. – Т. 2.
– №. 5. – С. 221-223..
81 Grant P. M. Dependence of the E 1 Reflectivity Structure in EuO on
Temperature and Doping //Journal of Applied Physics. – 1971. – Т. 42. – №. 4. –
С. 1771-1772..
82 Колесников И. Е. Исследование люминесцентных свойств
оксидных нанокристаллических порошков, легированных ионами европия :
дис. – Санкт-Петербург : Колесников Илья Евгеньевич, 2015.
83 Кузьмина Е.А. Функционально- стоимостный анализ. Концепция и
перспективы / Е.А. Кузьмина, А.М. Кузьмин // Методы менеджмента качества.
– 2002. – № 8. – С. 8-14.
84 Основы функционально-стоимостного анализа: Учебное пособие /
Под ред. М.Г. Карпунина и Б.И. Майданчика. – М.: Энергия, 1980. – 175 с.
85 Мазур И. И. Шапиро ВД, Ольдерогге НГ Управление проектами:
Учебное пособие/Под общ. ред. ИИ Мазура.–3-е изд //М.: Омега-Л. – 2004. –
С. 664.
86Руководствоксводузнанийпоуправлениюпроектами
(Руководство PMBOK), 4-е издание, 2008 г.
87 Попова С. Н. Управление проектами. Часть I: учебное пособие
//Томск: Изд-во Томского политехнического университета. – 2009.
88 Fu P. et al. Optical and Microwave Dielectric Properties of Zn‐Doped
MgAl2O4 Transparent Ceramics Fabricated by Spark Plasma Sintering
//International Journal of Applied Ceramic Technology. – 2015. – Т. 12. – №. 1. –
С. 116-123..
89 Постановление гос. сан. врача РФ №54 от 23.07.2007 г. “О надзоре
запродукцией,полученнойсиспользованиемнанотехнологийи
содержащей наноматериалы
90 ГОСТ 12.0.004-90 «Организация обучения по сохранности труда.
Общие положения
91 ТК РФ. Охрана труда. Требования охраны труда. Статья 213.
Медицинские осмотры некоторых категорий сотрудников
92 ТК РФ. Охрана труда. Требования охраны труда. Статья 212.
Обязанности работодателя по обеспечению безопасных условий и охраны
труда
93 ГОСТ Р. 12.4. 026-2001 ССБТ. Цвета сигнальные, знаки
безопасности и разметка сигнальная. Назначение и правила применения.
Общие технические требования и характеристики. Методы испытаний
//Назначение и правила применения. Общие технические требования и
характеристики. Методы испытаний. – 2001.
94 ГОСТ 22269-76. Система «человек-машина». Рабочее место
оператора. Взаимное расположение элементов рабочего места. Общие
эргономические требования
95 Медико-биологические основы безопасности жизнедеятельности:
учебное пособие / А. И. Агошков, А. Ю. Трегубенко, Т. И. Вершкова;
Дальневосточныйфедеральныйуниверститет(ДВФУ).—Москва:
Проспект, 2015. — 157 с.: ил. — Библиогр.: с. 153-154
96СанПиН2.2.1/2.1.1.1031-01Санитарно-защитныезоныи
санитарная классификация предприятий, сооружений и иных объектов
97СанПиН2.2.1/2.1.1.1278-03Гигиеническиетребованияк
естественному, искусственному и совмещенному освещению жилых и
общественных зданий
98 СП 42.13330.2011. Естественное и искусственное освещение. – М.:
Минстрой России. – 2011
99 ГОСТ 12.1.003–83 ССБТ. Шум. Общие требования безопасности
100 СН 2.2.4/2.1.8.562–96. Шум на рабочих местах, в помещениях
жилых, общественных зданий и на территории застройки
101 ГОСТ 12.4.011-75
102 Правила устройства электроустановок ПУЭ, утвержденные
приказом Минэнерго РФ от 8 июля 2002 г. N 204, Раздел 1. Общие правила
103 Трифонова Т.А., Ширкин Л.А. Экологическая безопасность
наночастиц, наноматериалов и нанотехнологий: учеб. Пособие / Владим.
гос. ун-т. – Владимир: изд-во Владим. гос. ун-та, 2009. – 64 с.
104 ПНД Ф. 12.13. 1-03 Методические рекомендации //Техника
безопасности при работе в аналитических лабораториях (общие положения).
– 2003. – Т. 3. – С. 25.05.