КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 21-79-00306
НазваниеРазработка и исследование композиционных керамических материалов, содержащих гексаалюминаты щелочных и щелочноземельных металлов
РуководительЧеркасова Нина Юрьевна, Кандидат технических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский государственный технический университет", Новосибирская обл
| Период выполнения при поддержке РНФ | 07.2021 - 06.2023 |
Конкурс№60 - Конкурс 2021 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-205 - Разработка новых конструкционных материалов и покрытий
Ключевые словагексаалюминаты, керамика, оксид алюминия, диоксид циркония, композиционная керамика, трещиностойкость, фазовые превращения, механизм отклонения трещины, пластинчатые кристаллы
Код ГРНТИ31.01.05
СтатусУспешно завершен
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Керамические материалы на основе оксида алюминия и диоксида циркония вызывают особый интерес специалистов, что объясняется сочетанием высоких показателей твердости и износостойкости оксида алюминия с прочностью и трещиностойкостью диоксида циркония. Однако, вследствие особенностей кристаллического строения, керамические материалы хрупкие и характеризуются низким уровнем трещиностойкости. Соответственно, задачи, направленные на повышение трещиностойкости керамики, являются востребованными на сегодняшний день. В частности, интерес представляют работы, направленные на структурные преобразования композиционных материалов. Данное исследование направлено на изучение физических основ формирования пластинчатых гексаалюминатов и оценке их влияния на свойства керамических композиционных материалов. Научная новизна данного проекта обусловлена тем, что в отечественной и зарубежной литературе отсутствуют экспериментальные работы, посвященные сравнительному исследованию влияния гексаалюминатов различного химического состава на структуру и свойства керамических материалов, полученных в одинаковых условиях. Исследование тонкого строения гексаалюминатов с использованием электронной микроскопии позволит выявить особенности формирования пластинчатых кристаллов в зависимости от их химического состава и ионного радиуса крупных катионов, расположенных в зеркальных плоскостях симметрии кристаллических решеток материалов.
Ожидаемые результаты
. В результате выполнения проекта будет определено влияние различных гексаалюминатообразующих компонентов на реологические свойства суспензий. Полученные данные позволят расширить возможности прогнозирования поведения керамических суспензий при введении подобных добавок, опубликованных данных по которым существует ограниченное количество.
2. Проведение рентгенофазового анализа и структурных исследований с использованием методов растровой и просвечивающей электронной микроскопии позволят оценить особенности формирования и роста пластинчатых кристаллов гексаалюминатов в композиционной керамике.
3. Будет выявлено влияние границ раздела на траекторию распространения трещины путем структурных исследований образцов после контактного нагружения с использованием растрового электронного микроскопа.
4. Будет определено влияние гексаалюминатов в композитах на их физические и механические свойства (плотность, трещиностойкость, твердость, прочность на изгиб).
5. Будет значительно расширено научное понимание механизмов повышения трещиностойкости за счет изменения траектории распространяющейся трещины при столкновении с барьерами в виде пластинчатых кристаллов гексаалюминатов различного химического состава.
6. Будут подобраны и рекомендованы режимы прессования и спекания материалов, обеспечивающие наиболее рациональное сочетание размеров зерен, плотности, пористости и усадки экспериментальных образцов.
7. Проведение большого объема экспериментальных исследований на различных материалах по одной и той же технологии подготовки спеченной керамики позволит выявить особенности влияния гексаалюминатов различного состава на свойства композиционных материалов.
8. Полученные в данной работе результаты позволят сформулировать основные принципы и научные подходы, необходимые для формирования пластинчатых гексаалюминатов в оксидной керамике с высоким комплексом механических характеристик.
9. Прикладная значимость данного исследования заключается в возможности использования разрабатываемых материалов для изготовления режущих пластин.
Планируемые результаты соответствуют мировому уровню исследований и разработок в тематической области проекта, что подтверждается публикациями автора проекта по этому направлению в ведущих мировых журналах (Ceramics International, Materials chemistry and physics).
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Данный проект направлен на изучение влияния различных гексаалюминатов на структуру и свойства керамических материалов на основе оксида алюминия и диоксида циркония. В ходе реализации проекта были изучены закономерности формирования гексаалюминатов кальция и стронция в структуре оксидной керамики. На примере керамики, содержащей гексаалюминат стронция, исследована эволюция структуры композита на основе оксида алюминия и диоксида циркония при нагреве. Установлено, что размеры и форма гексаалюмината стронция различаются при различных температурах спекания. Пластинчатая морфология зерен гексаалюмината стронция обусловлена преимущественной сегрегацией ионов Sr к базисным плоскостям (0001) границ зерен оксида алюминия. Пластина гексаалюмината стронция начинает формироваться в зерне оксида алюминия, что указывает на более интенсивную диффузию Sr2+ в алюмооксидные зерна. Кроме того, пластина SrAl12O19 ориентирована в радиальном направлении по отношению к полиэдрическому алюмооксидному зерну оксида алюминия. Рост длины пластин SrAl12O19 протекает преимущественно до 1400 °С. Также показано, что формирование гексаалюминатов стронция и кальция приводит к снижению размеров зерен оксида алюминия.
Экспериментально установлена эффективность применения гексаалюминатов стронция и кальция для повышения трещиностойкости алюмоциркониевой керамики. Наиболее высокий уровень критического коэффициента интенсивности напряжений зафиксирован при максимальном содержании гексаалюминатов и составляет 7,7±0,3 МПа*м1/2. В материалах, содержащих гексаалюминаты стронция и кальция, зафиксированы различные механизмы повышения трещиностойкости алюмоциркониевых керамик. Их проявление зависит от количественного содержания гексаалюминатов в материале. В материалах, содержащих до 6 масс. % гексаалюминатов, преимущественно наблюдаются механизмы огибания, раздваивания трещин, разрушения пластин и формирование мостиков. Механизм отклонения фронта трещины кристаллами пластинчатой формы явно проявляется лишь в материалах с содержанием гексаалюминатов от 9 масс. % и выше.
С точки зрения практического применения полученных данных, наиболее рациональным сочетанием свойств характеризуются материалы, содержащие 6 масс. % гексаалюминатов кальция и стронция (прочность на изгиб на уровне 600 МПа, трещиностойкости 6-7 МПа*м1/2, относительная от теоретической плотность 97 % и твердость 1600 HV). При разработке керамических изделий, подвергающихся высоким нагрузкам, рекомендуется, использовать технологию горячего изостатического прессования, обеспечивающую получение материала с уровнем прочности 1400 МПа и трещиностойкости на уровне 7 МПа*м1/2.
Публикации
1. К.А. Антропова Изменение в процессе спекания структуры алюмоциркониевой керамики, содержащей гексаалюминат стронция Наука. Технологии. Инновации : сб. науч. тр. 15 Всерос. науч. конф. молодых ученых, посвящ. Году науки и технологий в России, Ч. 3. – С. 129–132. (год публикации - 2021)
2. Н.Ю. Черкасова, К.А. Антропова, А. В. Фелофьянова, Н.Ю. Бурхинова Формирование гексаалюмината кальция в алюмооксидной матрице Актуальные вопросы прочности: Сборник тезисов LXIV Международной конференции «Актуальные проблемы прочности», С. 373-375 (год публикации - 2022)
3. Черкасова Н.Ю., Антропова К.А. Плотность и структура композиционной керамики, содержащей гексаалюминат стронция Современные проблемы машиностроения: сборник трудов XIV Международной научно-технической конференции, С 178-179 (год публикации - 2021)
Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Данный проект направлен на изучение влияния различных гексаалюминатов на структуру и свойства керамических материалов на основе оксида алюминия и диоксида циркония. В ходе реализации проекта были изучены закономерности формирования гексаалюминатов кальция, стронция, лантана и церия в структуре оксидной керамики. Показано, что формирование гексаалюминатов приводит к снижению размеров зерен оксида алюминия. Экспериментально установлена эффективность применения гексаалюминатов для повышения трещиностойкости алюмоциркониевой керамики. Наиболее высокий уровень критического коэффициента интенсивности напряжений зафиксирован при максимальном содержании гексаалюминатов и составляет 7,7±0,3 МПа*м1/2. В алюмоциркониевой керамике, содержащей гексаалюминат лантана, наиболее высокая трещиностойкость получена при 12 масс. % LaAl11O18 (7,4±0,2 МПа*м1/2).
Проявление повышения трещиностойкости алюмоциркониевых керамик зависит от количественного содержания гексаалюминатов в материале. В материалах, содержащих до 6 масс. % гексаалюминатов, преимущественно наблюдаются механизмы огибания, раздваивания трещин, разрушения пластин и формирование мостиков. Механизм отклонения фронта трещины кристаллами пластинчатой формы явно проявляется лишь в материалах с содержанием гексаалюминатов от 9 масс. % и выше. С точки зрения практического применения полученных данных, наиболее рациональным сочетанием свойств характеризуются материалы, содержащие 6 масс. % гексаалюминатов различного химического состава (прочность на изгиб на уровне 600 МПа, трещиностойкости 6-7 МПа*м1/2, относительная от теоретической плотность 97 % и твердость 1600 HV).
С точки зрения формирования высоких свойств для материалов системы Al2O3-ZrO2-CeO2 рекомендуется использовать технологию горячего прессования для формирования гексаалюмината церия. Данная технология позволяет получить материал с трещиностойкость на 26 % выше, чем для материала аналогичного химического состава, полученного свободным спеканием. Это объясняется формированием гексаалюмината церия в спеченной керамике. Кроме того, плотность относительно теоретической для такого материала составляет 98 %.
Публикации
1. Черкасова Н., Кузьмин Р., Веселов С., Антропова К., Руктуев А., Огнева Т., Тюрин А., Кучумова И., Хабиров Р. Influence of strontium hexaaluminate percentage on the structure and properties of alumina-zirconia ceramics Materials Chemistry and Physics, Vol. 288. - Art. 126424 (8 p.) (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2022.126424
2. Черкасова Н.Ю., Антропова К. А., Кучумова И. Д., Федоренко Э. А., Ким Е.Ю., Киселева И. Ю. Получение и исследование композиционных материалов системы Al2O3–ZrO2–La2O3 Новые огнеупоры, № 2, С. 24-28 (год публикации - 2023)
3. Черкасова Н.Ю., Кузьмин Р. И., Антропова К. А., Бурхинова Н. Ю. Rheological characteristics of suspensions and structure of Al2O3–CaO and Al2O3–SrO composites Refractories and Industrial Ceramics, Vol. 63, iss. 3. – P. 311-314 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1007/s11148-022-00727-4
4. Черкасова Н.Ю., Кузьмин Р.И., Фелофьянова А. В., Антропова К. А., Хабиров Р.Р, Бурхинова Н. Ю. Alumina-based ceramics reinforced with calcium hexaaluminate Письма о материалах = Letters on materials, Т.12.,№3.,С.197-202 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.22226/2410-3535-2022-3-197-202
5. Черкасова Н.Ю., Зобова Ю.О., Перменева М. М. Alumina-zirconia ceramics containing ceria and calcia The Book of Abstracts of the VI International Conference “Fundamental Bases of Mechanochemical Technologies”, c.121 (год публикации - 2022)
Возможность практического использования результатов
Разработанные при выполнении проекта материалы являются перспективными для изготовления сменных режущих пластин для обработки высокотвердых материалов. Одной из основных проблем керамических режущих пластин является их низкая трещиностойкость. Полученные в работе значения критического коэффициента интенсивности напряжений, а также сформированная структура с анизотропными зернами, способствующие затуханию распространяющейся трещины, позволяют рекомендовать данные материалы в качестве основы для изготовления режущего инструмента.