Получение наноструктурных керамик с использованием магнитно-импульсного прессования порошков тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.13 ВАК РФ

Я). // ¿>3. - ^

Институт электрофизики Уральского отделения Российской Академии наук

ПОЛУЧЕНИЕ НАНОСТРУКТУРНЫХ КЕРАМИК С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МАГНИТНО-ИМПУЛЬСНОГО ПРЕССОВАНИЯ ПОРОШКОВ

(специальность 01.04.13 - Электрофизика, 01.04.14 - Теплофизика и молекулярная физика)

ДИССЕРТАЦИЯ На соискание ученой степени доктора физико-математических наук

На правах рукописи

ЕКАТЕРИНБУРГ - 1998 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................6

ГЛАВА 1. Использование сильных импульсных магнитных полей для динамического уплотнения порошков: физические процессы и

экспериментальное оборудование..................................................................18

1.1.0 проблеме компактирования твердых наноразмерных порошков..........18

1.2. Положительные особенности динамического сжатия порошков..............24

1.3. Применение силового действия импульсных магнитных полей

для прессования порошков. История вопроса................................31

1.4. Экспериментальная установка для одноосного магнитно-импульсного прессования порошков.................................................44

1.4.1. Устройство и работа установки....................................................44

1.4.2. Генерирование электромагнитной силы..........................................48

1.4.3. Проблема удаления газов и адсорбированных веществ.

Блок дегазации..............................................................................55

1.4.4. Особенности способа импульсного прессования порошков твердых материалов..................................................................................60

1.5. Измерение импульсного давления при сжатии порошка..................63

1.6. Получение и характеристика прессовок из наноразмерных керамических порошков..................................................................77

1.7. Выводы...........................................................................................82

ГЛАВА 2. Экспериментальный метод определения динамических

адиабат сжатия порошков..............................................................................84

2.1. Одноконтурная модель индукционного ускорения массивных проводников...................................................................................85

2.2. Моделирование индукционного ускорения подвижного пресс-инструмента для условий эксперимента.............................................91

2.3. Определение динамических адиабат сжатия порошков........................101

2.3.1. Одноосное мягкое сжатие порошков упругим калиброванным инструментом. Квазистатическое приближение..............................101

2.3.2. Характеристики порошка на динамической адиабате сжатия..............107

2.4. Анализ погрешностей метода..........................................................111

2.4.1. Оценка степени квазистатичности и адиабатичности процесса...........112

2.4.2. Погрешности, связанные с нарушением одномерности сжатия ..........115

2.4.3. О возможности раздельного моделирования процессов ускорения

и торможения пресс-инструмента..................................................119

2.4.4. Погрешности, вносимые численной обработкой данных.....................121

2.4.5. Оценка полной погрешности...........................................................125

2.5. Выводы..........................................................................................127

ГЛАВА 3. Консолидация наноразмерных керамических порошков под действием мягких волн сжатия......................................................................129

3.1. Компактирование порошков AI2O3.....................................................130

3.1.1. Особенности консолидации наноразмерных порошков оксида алюминия....................................................................................130

3.1.2. Характеристика исходных порошков AI2O3.......................................134

3.1.3. Сравнение прессуемости наноразмерного порошка AI2O3 при импульсном и статическом сжатии..................................................141

3.1.4. Динамические адиабаты сжатия порошков AI2O3..............................147

3.1.5. Характеристика прессовок из нанопорошков AI2O3..........................151

3.2. Компактирование порошков "ЛОг......................................................157

3.2.1. Имеющийся опыт в консолидации порошков оксида титана................157

3.2.2. Характеристика исходных порошков................................................160

3.2.3. Динамические адиабаты сжатия порошков ТЮг, полученных

разными методами. Характеристика прессовок.................................164

3.3. Компактирование порошков ZrÛ2....................................................171

3.3.1.Задача, решаемая при компактировании порошков оксида циркония... 171

3.3.2. Характеристика исходных порошков................................................174

3.3.3. Динамические адиабаты сжатия порошков Zi-Ог с разной

степенью агломерирования. Характеристика прессовок.....................181

3.4. Компактирование порошков TiN......................................................188

3.5. О механизме динамического уплотнения твердых наноразмерных порошков.......................................................................................193

3.6. Выводы..........................................................................................198

ГЛАВА 4. Синтез нанокерамик при спекании высокоплотных прессовок

из наноразмерных порошков.........................................................................201

4.1. Особенности кинетики спекания наноразмерных порошков...................202

4.2. Спекание прессовок из наноразмерных порошков AI2O3

в обычной резистивной печи............................................................205

4.2.1. Методика эксперимента.................................................................206

4.2.2. Фазовые превращения и кинетика усадки при спекании прессовок

с разной плотностью..............................................................................207

4.2.3. Синтез нанокерамики AI2O3 в режимах контролируемого нагрева.......213

4.2.4. Влияние добавок МдО и ТЮг на синтез керамики AI2O3..................219

4.3. Сравнение спекания прессовок из нанопорошков AI2O3 при нагреве

микроволновым излучением и в резистивной печи...........................233

4.4. Синтез нанокерамики ТЮг спеканием плотных прессовок из нанопорошков.................................................................................240

4.5. Выводы..........................................................................................251

ГЛАВА 5. Горячее импульсное компактирование наноразмерных керамических порошков......................................................................................................254

5.1. Особенности синтеза компактных наноструктурных материалов при высоких импульсных давлениях........................................................254

5.2. Методика экспериментов по компактированию подогретых порошков...257

5.3. Уплотнение и полиморфное превращение при компактировании высокими импульсными давлениями предварительно подогретых нанопорошков ТЮ2.........................................................................260

5.4. Консолидация высокими импульсными давлениями предварительно подогретых нанопорошков TiN..............................265

5.5. Выводы.........................................................................................270

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................................271

ЛИТЕРАТУРА..................................................................................................276

Введение

Воздействия высоких давлений и температур, реализуемые в разных способах прессования и спекания, являются основными инструментами для получения компактных материалов из наноразмерных керамических порошков. Успех в создании новых керамик, наряду с их химической природой, в значительной мере связан с изучением особенностей этих воздействий и их адекватной оптимизацией. Вследствие интенсивного протекания процессов рекристаллизации традиционные методы консолидации порошков имеют ограниченные возможности в создании керамик с нанокристаллической структурой. Для сохранения наноструктур перспективны высокоэнергетические методы, характеризуемые короткими временами воздействий и высокими давлениями. В настоящей работе изучаются вопросы получения наноструктурных керамик с применением магнитно-импульсного метода, позволяющего эффективно уплотнять порошки мягким импульсным сжатием. Выбор предмета исследования обусловлен потребностью в создании наноструктурных керамик и изделий из них. Ожидаемые свойства таких керамик качественно превосходят существующие материалы, их практическая реализация способна революционизировать многие области современной техники.

В соответствии с физическим определением наноструктурных (первоначально применялся термин «ультрадисперсных») материалов, предложенном в [1, 2], это есть материалы, в которых масштаб структуры меньше характерного масштаба длины какого-либо процесса переноса или характерного корреляционного масштаба некоторого физического явления. При уменьшении размера зерна в материале менее характерного размера определенное свойство оказывается сильно зависимым от размера зерна. Для керамических материалов конструкционного назначения таким характерным масштабом длины, например, может быть

наибольший размер зерна, при котором наблюдается эффект сверхпластичности и снижается вероятность хрупкого разрушения. В качестве примерной верхней границы масштаба структуры нанокерамик известна величина 100 нм [3].

В настоящее время расширение использования керамик серьезно сдерживается из-за их хрупкости, высокого энергопотребления при производстве и высокой стоимости их механообработки при получении изделий. Давно предсказывалось, что структуры нанометрового масштаба будут иметь преимущества при синтезе, обработке и модификации свойств перспективных материалов [4].

Свойства наноструктурных материалов прямо связаны с их необычной структурой, особенностями которой являются чрезвычайно малые зерна и большое количество сильно разориентированных границ. В предшествующих работах на примерах ZnO и "ЛОг [5, 6] отмечалась зависимость свойств наноструктурных керамик от размера зерна. Например, очень сильно изменяются спекаемость и ползучесть при уменьшении размера зерна в нанометровом диапазоне. Это видно из уравнений для скоростей уплотнения с!у/сИ и деформации с1е/сИ, которые содержат сильную зависимость от размера зерна в виде (1/с1)4, где 2 < q < 4, у и 8 -плотность и относительная деформация, соответственно. Применение этих соотношений к нанометровому диапазону показывает, что с!у/сИ и (18/сК возрастут более чем в 106 раз при уменьшении размера зерна от 10 мкм до 10 нм. Таким образом становится возможным управлять механическими свойствами веществ посредством контролируемого роста зерна. Одним из наиболее впечатляющих свойств нанокерамик является их сверхпластичность при температурах намного ниже температур спекания и рекристаллизации. В частности, для диоксида циркония наблюдалась пластическая деформация до 300 % при температурах порядка

800 °С [7]. Это дает возможность ковать керамику, подобно металлам, в формы с точными размерами.

Наноструктурные керамики конструкционного назначения найдут широкое применение, например, для изготовления износостойкого инструмента, теплонагруженных деталей газовых турбин, двигателей внутреннего сгорания. Благодаря особым магнитным, транспортным, диэлектрическим и оптическим свойствам нанокерамики перспективны для создания новых объектов техники, таких как высокотемпературные топливные элементы, новые постоянные магниты, изделия микроэлектроники с высокой плотностью элементов, наномембраны и др..

Широкие исследования наноструктурных керамик стали возможны в последние десять лет благодаря развитию производительных методов получения порошков с нанометровым размером частиц. Из них наиболее известны методы: испарения и конденсации в газовой фазе, электрического взрыва, лазерного распыления, синтеза в дуговой и СВЧ-плазме, химического синтеза в газовой и жидкой фазе [8-13]. При размерах частиц порошков менее 100 нм становятся сильно зависимыми от размера основные физические свойства вещества за счет дополнительного вклада энергии поверхности и дефектов структуры в общую энергию частиц. В том числе по мере уменьшения размеров частиц усиливаются проявления свойств, препятствующие консолидации частиц в однородный компактный материал: возрастает удельная энергия межчастичных связей, увеличивается содержание адсорбированных веществ, повышается способность к агломерированию. Наряду с плохой механической уплотняемостью нанопорошки характеризуются высокой способностью к рекристаллизации при воздействии высоких температур, что проводит к утрате наноструктуры и сопутствующих ей свойств материала. Получение наноструктур в компактном материале возможно на пути подавления роли рекристаллизации, например, посредством снижения энергетики теплового воздействия на стадии

спекания порошка. В этой связи большое значение приобретает достижение высокой степени уплотнения порошка на стадии механического уплотнения -прессования. При высокой плотности прессовок, порядка пороговой плотности упругой упаковки частиц, обычно превышающей 0,7 от теоретического значения, процессы спекания нанопорошков протекают с меньшими энергозатратами, т.е. быстрее и при относительно низких температурах < 0,5 • Тпл [13-14], где Тпл -температура плавления. Это позволяет избегать значительного укрупнения зерна на стадии спекания прессовок и получать материал с наноструктурой.

Проблемы прессуемости и рекристаллизации наноразмерных порошков значительно сузили возможности традиционных методов прессования и спекания в получении наноструктурных материалов и побудили к поиску новых подходов. С точки зрения разнообразия форм и снижения стоимости изделий по прежнему привлекательной является реализация традиционной схемы порошковой технологии: холодное прессование и последующее свободное спекание без давления.

Применение обычного статического прессования в жестких пресс-формах для уплотнения твердых наноразмерных порошков оказалось малоэффективным. Оно характеризуется низкой плотностью прессовок [15, 16], что при спекании приводит к образованию агломератов и крупных пор. В сравнении с одноосным прессованием гидростатическая обработка наноразмерных керамических порошков характеризуется большей плотностью прессовок [17, 18]. Достижение хорошего результата этим методом как правило сопряжено с дополнительным использованием предварительного вибровакуумного уплотнения или подготовки формовки шликерным литьем, что удорожает технологию. В частности, разработаны технологии гидростатического уплотнения шликерных заготовок из стабилизированного диоксида циркония и оксида алюминия до относительной плотности 0,70-0,78 при дисперсности порошков более 200 нм. Однако в области

более дисперсных порошков (< 100 нм) шликерный метод имеет ограниченные возможности из-за сильного агломерирования частиц, что отразится и на результатах последующей гидростатической обработки. Имея ввиду высокое межчастичное трение в наноразмерных порошках, безусловно, следует признать перспективным использование гидростатической обработки в получении прессовок сложной формы из таких порошков. Применение этого метода для формования простых форм вряд ли будет экономически оправдано из-за относительной сложности оборудования и трудности в создании установок высокой производительности.

Для получения плотных прессовок из наноразмерных порошков привлекательным является использование высокоинтенсивных импульсных методов сжатия. За счет быстрого движения порошковой среды возможно эффективное преодоление сил межчастичного трения. Кроме того, при импульсном нагружении реализуются более высокие давления и не требуется столь дорогостоящего оборудования в сравнении со статическими методами. Широко известно ударно-волновое компактирование порошков с использованием энергии взрыва, успешно применяемое для получения металлических, аморфных и композиционных материалов [19]. Многочисленные исследования по компактированию этим методом керамических, в том числе наноразмерных порошков, не принесли быстрого желаемого результата [20], несмотря на высокие достигнутые плотности прессовок, близкие к теоретическому пределу. Выявились две принципиальные трудности, препятствующие получению качественных прессовок: во-первых, растрескивание, сопровождающее быструю разгрузку давления за ударной волной, и, во-вторых, сильное агломерирование негомогенного порошка вледствие нестационарности сжатия.

Требования по исключению трещин и обеспечению однородности упаковки частиц нанопорошка в прессовке делают целесообразным использование мягких

волн сжатия с плавным нарастанием и спадом импульсного давления. Такое нагружение порошков реализуется при магнитно-импульсном прессовании и в способах гидродинамического прессования с использованием метательных порохов и электрогидравлического разряда [21-23]. Гидродинамические способы ограничены по амплитуде генерируемых импульсов давления значением порядка 0,5 ГПа из-за использования жидкой передающей среды и жестких условий работы взрывных камер. С использованием энергии импульсного магнитного поля возможно получать более высокие импульсы давления с амплитудой порядка 1-2 ГПа при многоразовом использовании инструмента. Ранее магнитно-импульсный метод успешно применялся для прессования металлических и металлокерамических порошков в вариантах аксиального сжатия мягкими металлическими оболочками и плоского одноосного сжатия в жестких матрицах. Исследования были ограничены импульсными давлениями до 1 ГПа. Поэтому дальнейшая разработка магнитно-импульсного метода для прессов�