Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Разработаны физико-химические основы технологии получения керамики на основе диоксида циркония с контролируемыми свойствами из порошкового материала, получаемого отечественными производителем с использованием золь-гель технологии. Золь-гель технология перспективна для организации производства ультрадисперсных порошков в промышленных масштабах на основе отечественной сырьевой базы. Поэтому исследования, направленные разработку технологий подготовки таких ультрадисперсных порошков для последующей обработки, изготовления из них компактов для спекания и отработки режимов спекания, являются актуальными. В ходе выполнения этапа проекта проведен комплекс исследований, направленных на изучение свойств и характеристик ультрадисперсных порошков (УДП) стабилизированного оксидом иттрия диоксида циркония, полученных с использованием золь-гель технологии, и установление закономерностей консолидации частиц УДП в компактах при спекании в зависимости от условий предварительной обработки УДП, количества и типа допирующей примеси, способа их компактирования и режимов теплового обжига. При этом достигнуты следующие результаты. Разработан метод введения в УДП стабилизированного диоксида циркония легкоплавких оксидных добавок с целью снижения температуры спекания. Снижение температуры спекания позволяет снизить активность процесса роста зерен в керамики, тем самым получить нанокерамику, обладающую улучшенными эксплуатационными свойствами. Для УДП стабилизированного диоксида циркония, полученного с помощью золь-гель метода установлены закономерности: - формирования микроструктуры и фазового состава в зависимости от условий механической обработки, типа легирующих ионов, степени легирования; - проявления сорбционных и тепловых эффектов после введения микродобавок и обработки гамма излучением. - уплотнения в зависимости от условий механической обработки, легирования ионами металлов, условий гамма облучения при одноосном изостатическом прессовании и магнитно-импульсном прессовании; - консолидации в компактах при термическом нагреве в зависимости от условий механической обработки легирования и радиационной обработки гамма излучением, характеристические параметры процессов консолидации; - формирования структурно-фазового состояния керамики в зависимости от условий механической обработки, легирования и радиационной обработки в условиях термического нагрева и выдержки в нагретом состоянии. Для УДП стабилизированного диоксида циркония, полученного с помощью золь-гель метода определены: - микроструктура, фазовый состав и удельная поверхность; - оптимальные способы и режимы обработки, обеспечивающие максимальную плотность и минимальную пористость керамики при спекании компактов способом термического обжига; - характеристические параметры процесса термического спекания и прогнозируемые температурные режимы радиационно-термического обжига керамических компактов УДП стабилизированного диоксида циркония для проведения работ по изучению влияния электронно-лучевого нагрева компактов на формирования микроструктуры, пористости и фазового состава керамики.

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Целью этапа 2018 года являлось установление закономерностей процессов консолидации ультрадисперсных порошков (УДП) стабилизированного оксидом иттрия диоксида циркония в компактах при электронно-лучевом нагреве. Отличительной чертой выполняемого проекта является выбор в качестве исходного сырья для изготовления циркониевой керамики нанопорошка диоксида циркония частично стабилизированного оксидом иттрия, получаемого золь-гель методом. Выбор данного метода обусловлен большими перспективами использования в керамическом производстве. Для выявления общих закономерностей, независящих от технологии производства порошкового сырья, часть экспериментов проводили для УДП, полученных плазмохимическим методом и для порошков ведущего мирового производителя фирмы TOSOH (Япония) В соответствии заявленному плану были организованы и проведены работы: 1. Отработка методики проведения радиационно-термического (РТ) обжига компактов из УДП, обеспечивающей равномерный нагрев и объективный контроль температуры нагреваемых компактов во время РТ нагрева. 2. Подготовка порошковых масс УДП стабилизированного диоксида циркония, полученного по золь-гель технологии, с использованием механической обработки, без и с различными типами и содержанием допирующей примеси, в количестве необходимом для решения задач этапа проекта. 3. Проведение контрольных исследований и паспортизация приготовленных порошковых масс УДП. 4. Проведение работ по изготовлению компактов (пресс-образцов) из набора порошковых масс различными методами прессования при разных давлениях прессования. 5. Гамма-обучение части компактов при различных температурах нагрева и временах выдержки в нагретом состоянии. 6. Получение из приготовленных компактов методами термического и РТ обжига керамических образцов при одинаковых температурно-временных режимах. 7. Работы по пункту 6 для набора температур (не менее 5) и времен (от нескольких минут до 1 часа) обжига. 8. Определение микроструктуры, пористости, плотности, фазового состава, механических свойств керамических образцов, полученных при реализации пунктов 6 и 7. 9. Анализ и обобщение результатов выполнения работ пункта 8 и корректировка условий изготовления порошковых масс, пресс-образцов, термического и РТ обжига с целью улучшения качества изготавливаемой керамики. 10. Повторение с учетом корректировок работ по пунктам 1 – 9. 11. Обработка результатов работы по пункту 9 и выявление закономерностей формирования свойств керамик, полученных термическим и РТ способом. Проведение сравнительного анализа результатов для керамик, полученным термическим и РТ обжигом. 12. Разработка уточненной физической модели РТ эффектов при спекании керамики в пучке электронов с энергией 1-4 МэВ. 13. Разработка практических рекомендаций по использованию РТ технологий для получения керамических материалов с заданным набором свойств. 14. Написание статей в ведущие мировые научные журналы по результатам выполнения этапа по мере набора данных, подготовка материалов докладов для представления на международных научных конференциях. 15. Подготовка отчетных материалов по этапу проекта В ходе выполнения отчетного этапа установлены закономерности формирования структурно-фазового состояния, механических свойств керамики при тепловой обработке методом нагрева электронным пучком с энергией 1-4 МэВ компактов из УДП стабилизированного диоксида циркония, полученного золь-гель методом, в зависимости от вида и режимов предварительной обработки исходных порошков, типа и количества допирующей добавки, способа и режимов компактирования, режимов радиационно-термической обработки. Обнаружены следующие эффекты и закономерности. 1. Электронно-лучевой нагрев с помощью ускорителя электронов с энергией электронов 1-4 МэВ позволяет снизить температуру обжига циркониевой керамики на величину до 200 градусов, что позволяет существенно увеличить энергоэффективность производства. 2. Эффективность электронно-лучевой обработки повышается при проведении дополнительной обработки порошковых масс в планетарной мельнице и введением в малом количестве допирующих добавок в виде оксидов металлов. Введение дополнительных технологических операций механообработки нанопорошков, введения допирующей примеси увеличивает эффективность термического и электронно-лучевого спекания, что проявляется в дополнительном снижении температуры обжига на величину до 50 градусов. 4. Электронно-лучевой обжиг активизирует процессы усадки порошковых компактов и роста зерен в спекаемой керамике, что позволяет получать керамику при пониженных по сравнению с термическим обжигом температурах. Номинальной температурой РТ спекания циркониевой керамики следует считать температуру 1200 градусов Цельсия. Превышение этой величины приводит к росту зерен, что препятствует получению мелкозернистой керамики. 5. Порошок частично стабилизированного диоксида циркония, полученный золь-гель методом, характеризуется средним размером частиц не более 20 нм, то есть является наноматериалом, что открывает перспективы получения из него нанокерамики. В то же время его свойства во многом определяются наличием биографических адсорбентов, что оказывает сильное влияние на качество процессов их компактирования и спекания, в том числе электронно-лучевое. 6. Улучшение прессуемости золь-гель порошков и качества процессов усадки при спекании достигается при обработке исходного сырья гамма-облучением, которое воздействуя на адсорбенты, изменяет свойства нанопорошка. В качестве физической модели, объясняющей активацию консолидации частиц в компактах при электронно-лучевом спекании, предлагается уточненная модель, базирующаяся на поверхностно-рекомбинационном механизме диссипации ионизирующего излучения на межчастичных границах. Уточнение касается введения в область границ примесей в виде оксидов металлов, что увеличивает эффективность поглощения электронного излучения в данных локальных областях и тем самым усиливает эффект радиационного нагрева. По результатам проекта разработаны рекомендации по использованию метода радиационно-термической обработки в керамическом производстве изделий с уникальными свойствами. Основные положения этих рекомендаций следующие. Метод электронно-лучевого спекания целесообразно использовать для мелкосерийного производства малогабаритных керамический изделий, такие как фильеры для кабельной промышленности, газовые датчики, изделия для использования в качестве высокопрочного инструментария и т.п. В ходе выполнения этапа опубликовано 5 статей в изданиях, индексируемых в базах данных «Сеть науки» (Web of Science Core Collection) и «Скопус» (Scopus). Из них две статьи в журналах квартилей Q1, Q2 с импакт-фактором более 1. Представлено 4 доклада на Международных конференциях по профилю проекта. Результаты проекта представлены общественности в виде публикации в интернет издании издательства ТАСС. Информационный ресурс в сети Интернет, посвященный проекту: http://tass.ru/nauka/5111779.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В 2019 году выполнены следующие работы. Исследование процессов модификации циркониевой керамики при импульсной электронной обработке поверхности. Установление закономерностей: - формирования микроструктуры приповерхностных слоев при высокоинтенсивной импульсной обработке электронным пучком в зависимости от теплопроводности обрабатываемой керамики; - формирования структурно-фазового состояния приповерхностных керамических слоев при высокоинтенсивной импульсной ионной обработке; - формирования электропроводящих свойств керамики при ионном легировании в зависимости от типа ионов и режимов ионной обработки; - формирования фазового состояния керамики при ионном легировании в зависимости от типа ионов и режимов ионной обработки. Отработка технологических режимов получения градиентной керамики методами: - радиационно-термической модификации в пучке ускоренных электронов; - радиационно-термической модификации в пучке ускоренных ионов. Выбор и обоснование типа ионов для ионной имплантации в керамические материалы с целью получения «слабопроводящего состояния» и отработка технологических режимов ионной имплантации. Подведение итогов проекта, разработка рекомендаций по практическому использованию в керамической промышленности результатов проекта. В качестве основного материала для исследований использована керамика частично стабилизированного диоксида циркония. Поверхностная обработка пучками заряженных частиц проводилась на ускорителях электронов и ионов отечественного производства. Для электронной обработки использовали импульсный ускоритель электронов “СОЛО” (Институт сильноточной электроники СО РАН, г. Томск). Ионную обработку в импульсном режиме проводили на ускорителе ионов «Темп» (Томский политехнический университет, г. Томск) и ТЕМП-6 (Школа материаловедения и инженерии Даляньского технологического университета, Китай). Ионную обработку на постоянном режиме проводили на ионном имплaнтеpе ИЛМ-1 (УpO PAН, г. Екатеринбург), оснащённом ионным источником «Пульcap-1М» на основе тлеющего разряда низкого давления с холодным полым катодом, и на ускорителе ионов на основе генератора плазмы и системы формирования высокоинтенсивных ионных пучков (Томский политехнический университет, г. Томск). Поверхностную обработку проводили ионами углерода, азота и аргона и алюминия. При обработке ионами алюминия образцы керамики в результате радиационной обработки нагревались до высоких температур вплоть до температуры спекания керамики. Подобная обработка керамики металлическими ионами была проведена впервые. Получены следующие научные результаты. - На примере циркониевой керамики установлены эффекты поверхностной модификации керамических материалов обработкой высокоинтенсивными электронными и ионными пучками, заключающиеся в перестройке микроструктуры приповерхностного слоя керамики на глубину до 10-30 мкм, изменении химического и фазового состава и механических свойств данного слоя; - Показано, что эти процессы имеют во многом одинаковую природу для электронной и ионной обработки; - Впервые для обработки керамических материалов интенсивными ионными пучками обнаружен и описан эффект дальнодействия, проявляющийся в упрочнении керамики на глубине значительно превышающей максимальный пробег иона в обрабатываемом материале. Предложен и обоснован ударно-волновой механизм для описания наблюдаемого эффекта. - Установлено, что эффект модифицирования интенсивными пучками заряженных частиц зависит от плотности энергии в импульсе и ускоряющего напряжения. Глубина модифицированного слоя определяется двумя конкурирующими процессами: эрозия приповерхностного слоя и его оплавление, сопровождающиеся изменением структурно-фазовых свойств поверхностного слоя. Оптимальное соотношение этих процессов следует задавать подбором режимов облучения. - Впервые проведена термическая обработка, включая спекание циркониевой керамики, воздействием потоком ионов алюминия, полученного из плазмы. Показано, что такой вид обработки может быть использован для формирования диффузионных профилей примесей в керамике. - Обоснован и доказан механизм формирования проводящего состояния оксидной керамики при поверхностной ионной обработке. Доказано, что независимо от типа ионов, эффект повышения проводимости достигается за счет изменения стехиометрии облучаемой керамики по кислороду. - Показано, что деградация проводящих свойств модифицированной ионным облучением оксидной керамики происходит в результате диффузии кислорода из атмосферы воздуха внутрь керамики и, как следствие, восстановлении стехиометрии по кислороду. Полученные результаты могут быть использованы на практике для управления структурой и свойствами поверхности керамических изделий при изготовлении керамических штампов, газовых сенсоров, элементов каталитических систем, а также с целью поверхностного упрочнения изделий из керамики.