Исследование структуры и физико-механических свойств керамики на основе оксинитридов алюминия и циркония

Abstract

Актуальность. Развитие геологии ХХI в. невозможно без решения фундаментальных проблем современного материаловедения, обусловленных задачами создания новых материалов функционального назначения. Несмотря на многообразие методов синтеза оксинитридов алюминия и циркония, и консолидирования керамики на их основе, разрабатываемых в настоящее время, научный и практический интерес представляет твердофазный синтез в процессе компактирования соответствующих смесей в инертной атмосфере. При этом порошки могут быть спрессованы в компакты как до спекания, так и в его процессе. Во втором случае могут применяться различные варианты горячего прессования и искрового плазменного спекания. Для тугоплавких ионно-ковалентных оксинитридов переходных металлов активированное спекание является актуальной проблемой, так как оно осуществляется по диффузионному механизму. Для решения этой проблемы необходимо исследование закономерностей и механизмов консолидирования оксинитридных керамических материалов и поиск соответствующих активирующих добавок и методов активирования. Цель: разработать метод получения высокоплотной прочной керамики на основе оксинитрида алюминия и циркония, включающий синтез сжигания порошковых смесей и последующее горячее прессование в инертной атмосфере, и исследовать структуру и физико-механические свойства полученных компактов. Методы: ситовый анализ крупнодисперсных порошков с использованием анализатора А20, рентгенофазовый анализ исследуемых образцов, гидростатическое взвешивание для определения кажущейся плотности спеченных образцов, измерение микротвердости спеченных образцов, растровая электронная микроскопия, Scratch-тестирование. Результаты. Получена керамика на основе оксинитрида алюминия с применением уникального метода, включающего синтез порошка Al2O3-AlN путем сжигания нанопорошка Al и последующее горячее прессование в инертной атмосфере. Полученная керамика имела следующие физико-механические свойства: модуль упругости при индентировании EIT=286537 МПа, твердость индентирования HIT=13160 МПа, прочность образцов [sigma]s=2912 МПа. Методом горячего прессования получена высокомодульная прочная оксинитридная керамика ZrO2-ZrN (модуль упругости при индентировании EIT=323897 МПа, твердость индентирования HIT=19244 МПа, прочность образцов [sigma]s=3381 МПа). Полученные материалы предлагаются для использования в технологии функциональной керамики нового поколения.

Relevance. The development of geology in the XXI century is impossible without solving the fundamental problems of modern materials science, caused by the tasks of creating new materials for functional purposes. Despite the variety of methods for aluminum and zirconium oxynitride synthesis and consolidating ceramic based on them, currently being developed, scientific and practical interest is the solid phase synthesis during compaction of corresponding mixtures in inert atmosphere. In this case, powders can be pressed into compacts, both before and during sintering. In the latter case various variants of hot pressing and spark plasma sintering can be applied. For refractory ioniccovalent transition metal oxynitrides, the activated sintering is an urgent problem, since it is carried out by a diffusion mechanism. To solve this problem, it is necessary to study the patterns and mechanisms of consolidation of oxynitride ceramic materials and to search for appropriate activating additives and activation methods. The main aim of the research is to develop a method for obtaining high-density durable ceramics based on aluminum and zirconium oxynitride, including the synthesis of combustion of powder mixtures followed by hot pressing in inert atmosphere and to investigate the structure and physico-mechanical properties of the resulting compacts. The methods: sieve analysis of coarse powders using the A20 analyzer, X-ray phase analysis of the samples under study, hydrostatic weighing to determine the apparent density of sintered samples, measurement of the microhardness of sintered samples, scanning electron microscopy, scratch testing. The results. Using a unique method, including the synthesis of Al2O3-AlN powder by burning Al nanopowder and subsequent hot pressing in inert atmosphere, an oxynitride ceramic based on aluminum oxynitride was obtained. The resulting ceramics had the following physical and mechanical properties: modulus of elasticity during indentation EIT=286537 MPa, indentation hardness HIT=13160 MPa, specimen strength [sigma]s=2912 MPa. The ultra-high solid oxynitride ceramic ZrO2-ZrN (modulus of elasticity during indentation EIT=323897 MPa, indentation hardness HIT=19244 MPa, specimen strength [sigma]s=3381 MPa) was obtained by hot pressing. The obtained materials are proposed for use in the technology of new generation functional ceramics.