Станом на сьогодні у нас: 141825 рефератів та курсових робіт
Правила Тор 100 Придбати абонемент Технічна підтримка
Скористайтеся пошуком, наприклад Реферат        Грубий пошук Точний пошук
Вхід в абонемент



Основні результати роботи викладено у таких публікаціях:
  1. ІНСТИТУТ НАДТВЕРДИХ МАТЕРІАЛІВ ім. В. М. БАКУЛЯ

НАН УКРАЇНИ

ФЕСЕНКО Ігор Павлович

УДК 621.762

ТЕХНОЛОГІЧНІ ТА СТРУКТУРНІ ЗАКОНОМІРНОСТІ

ВІЛЬНОГО СПІКАННЯ КЕРАМІКИ

НА ОСНОВІ НІТРИДУ АЛЮМІНІЮ

Спеціальність 05.02.01 - матеріалознавство

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Київ – 2007

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля НАН України

Науковий консультант: академік НАН України,

доктор технічних наук, професор

Новіков Микола Васильович

Інститут надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля

НАН України, директор

Офіційні опоненти: |

член-кореспондент НАН України,

доктор фізико-математичних наук,

старший науковий співробітник

Григор'єв Олег Миколайович

Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України, завідувач відділу

доктор технічних наук, професор

Криль Ярослав Антонович

Івано-Франківський Національний технічний університету нафти і газу, завідувач кафедри

доктор технічних наук, професор

Конакова Раїса Василівна

Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України, завідувач лабораторії

Провідна установа – | Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О.Галкіна НАН України, відділ фізичного матеріалознавства

Захист відбудеться 7 червня 2007 р. о 13 годині 30 хвилин на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.230.01 Інституту надтвердих матеріалів НАН України за адресою: 04074, м. Київ-74, вул. Автозаводська, 2.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля НАН України (Київ, вул. Автозаводська, 2).

Автореферат розісланий “ 04 ” травня 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

д.т.н., с.н.с. Лавріненко В. І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Швидкий розвиток телекомунікацій, перехід техніки зв’язку до діапазону частот 1–100 ГГц, зростання середньої та пікової потужності вакуумних та напівпровідникових приладів ставить задачу розробки нових функціональних та конструкційних матеріалів, придатних для роботи в умовах високих температур, вакууму, інтенсивних потоків електромагнітної та теплової енергії. Крім того, відчувається дефіцит хімічно та зносостійких матеріалів, здатних протистояти високотемпературному абразивному зносу, ударним навантаженням, матеріалів з високим рівнем термостійкості. Екологічні проблеми і проблеми енергозбереження примушують шукати в порошковій металургії нові технології на заміну процесу гарячого пресування та нові матеріали, які дадуть змогу замінити токсичні при виробництві, зокрема матеріали на основі оксиду берилію. Судячи по властивостям нітриду алюмінію як індивідуальної речовини, він є перспективним для одержання монофазних або композиційних матеріалів, які можуть використовуватись для вирішення ряду проблем електронної, електротехнічної, хімічної та машинобудівної галузей промисловості.

Нітрид алюмінію став предметом досліджень як матеріал для підкладок-теплостоків в мікроелектроніці завдяки високій теплопровідності і тому, що його коефіцієнт термічного розширення (КТР) близький до КТР кремнію. Протягом останніх десяти років теплопровідність кераміки з AlN була значно підвищена. Подальше розширення областей застосування AlN пов’язане з його унікальними фізико-хімічними характеристиками. Наприклад, висока теплопровідність, стійкість до термоудару, хімічна інертність обумовлюють інтерес до AlN як високотемпературного матеріалу, придатного для виготовлення тиглів, в яких вирощують монокристали арсеніду галію (GaAs) для потреб електронної галузі. Низька змочуваність AlN розплавами робить можливим його застосування при виплавці металів високої чистоти, для установок неперервного розливу сталі. На основі AlN розробляються матеріали для розмельних технологій, для комбінованої броні, композити з металевою матрицею для деталей металургійних печей.

У світі продовжуються роботи по створенню рентабельних технологій масового виробництва алюмонітридної кераміки. Для одержання щільного матеріалу без застосування активаторів застосовують спікання при середніх (до 30 МПа) або високих тисках. Активно ведуться дослідження процесу спікання AlN за участю активаторів спікання.

Незважаючи на значний обсяг виконаних досліджень, проблема одержання матеріалів на основі нітриду алюмінію, які характеризуються певними фізико-механічними характеристиками, необхідними в різних областях сучасної техніки, все ще залишається невирішеною. Тому актуальними є дослідження на рівні мікро- та макроструктури, фазового складу розроблюваних матеріалів, а також використання процесу спікання при нормальному тиску, тобто вільного спікання, що дозволяє для кераміки на основі AlN одержувати деталі складної форми з необхідним рівнем фізико-механічних характеристик. Таким чином, розробка наукових принципів одержання кераміки на основі нітриду алюмінію з майже теоретичною густиною, високим рівнем теплопровідних, діелектричних та механічних властивостей за рахунок використання процесу вільного спікання – важлива науково-технічна проблема, що має велике народногосподарське значення, яку було розв’язано в результаті виконання даної дисертаційної роботи.

Зв’язок роботи з науковими планами, програмами, темами. Дисертація відповідає основним науковим напрямкам роботи Інституту надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України та виконувалась за Рішенням Вченої ради ІНМ в рамках проекту 7.04.06/054-92 “Розробити новий матеріал на основі легованого нітриду алюмінію з теплопровідністю 150-200 Вт/(мК) та низькими діелектричними втратами та організувати його впровадження в електронну техніку” державної науково-технічної програми “Надтверді, керамічні, конструкційні і функціональні матеріали” згідно з постановою ДКНТ України від 04.05.92 р.; тем 1.6.7.1654 “Розробити фізико-хімічні основи одержання тугоплавких матеріалів в процесі надшвидкого синтезу та ущільнення” згідно з постановою Бюро ВФТПМ НАН України від 06.06.95 р. № 10; 1.6.7.1168 “Розробка макету технологічного устаткування і дослідження закономірностей процесу інжекційного формування керамічних матеріалів та твердих сплавів з метою одержання виробів складної форми” згідно з постановою Бюро ВФТПМ НАН України від 10.14.97 р. № 15; 1.6.7.1171 “Застосування тунельного зонду з акустоемісійним контролем, наноіндентування та методики випробування на алмазних ковадлах для визначення впливу комплексу фіз.-механічних характеристик плівкових і шаруватих структур алмазоподібних матеріалів на їх функціональні властивості” згідно з постановою Бюро ВФТПМ НАН України від 16.05.2000 р. № 8; 1.6.7.0749 “Встановлення закономірностей і оптимізація процесу формування складнопрофільних виробів із наперед заданими фізико-механічними властивостями з оксидної, нітридної і карбідної кераміки” згідно з постановою Бюро ВФТПМ НАН України від 02.05.2002 р. № 3; договору № 1559 від 23.11.1998 між ІНМ НАН України та НПООО "АНКОЛ" “Розробка матеріалу на основі нітриду алюмінію для поглинання надвисокочастотної (НВЧ) енергії”, а також міжнародних проектів STCU No. 485 "Research and Development of the Heterophase and Heterostructural cBN and AlN-Base Composites for Electronics, Electrical Engineering, Chemical and Cutting Tool Industry" (1997-1999); NATO Science for Peace No. 973529 (2000-2005) “Nanocrystalline High-Melting Point Composites: The Materials of New Millennium”; STCU No. 1836 "Gradient multilayer nanograined composites obtained by advanced high-pressure, laser and rate-controlled sintering" (2002-2005); STCU No. 2592 “Advanced functional nitride based materials” (2003-2005).

Мета і задачі дослідження. Мета роботи полягає у комплексному дослідженні та розробці наукових принципів формування структури і властивостей кераміки на основі AlN та у встановленні технологічних параметрів одержання в умовах вільного спікання щільних матеріалів на основі AlN з поліпшеними механічними характеристиками, високим рівнем теплопровідності, електричного опору, заданим рівнем діелектричних властивостей в мікрохвильовому діапазоні.

Відповідно до поставленої мети в роботі сформульовані наступні завдання:–

встановити закономірності одержання вихідних порошкових систем AlN субмікронного діапазону шляхом диспергування та змішування;–

визначити структурно-морфологічні та теплофізичні особливості одержання вільним спіканням високощільної кераміки AlN без застосування технології гарячого пресування за умови активації процесу усадки;–

встановити особливості структурних перетворень при вільному спіканні щільного керамічного матеріалу з нанодисперсного порошку AlN після квазістатичного та динамічного пресування;

– провести дослідження фізико-механічних властивостей одержаної вільним спіканням кераміки AlN та композитів на його основі; –

розробити технології вільного спікання AlN з порошкових заготовок, одержаних одновісним квазістатичним або гідродинамічним пресуванням, а також технології спікання щільних композитів на основі AlN для виготовлення керамічних деталей складної форми розмірами до 80 мм.

Об’єкт дослідження – високощільні керамічні матеріали на основі нітриду алюмінію з активуючими (оксид, гідрид ітрію) та модифікуючими добавками (молібден, вольфрам, нітрид титану, карбід титану, диборид титану), одержані вільним спіканням.

Предмет дослідження – вільне спікання порошкових систем AlN різної морфології при наявності і відсутності активуючої фази; структурний стан при спіканні системи нанодисперсних частинок AlN, що містять домішковий кисень; релаксація при спіканні напружено-деформованого стану гідродинамічно активованого нанодисперсного порошку AlN; механічні характеристики кераміки з AlN при високих температурах; особливості зміни діелектричних характеристик кераміки на основі AlN при введенні до її складу тугоплавких металів та металоподібних сполук.

Метод дослідження. Для аналізу процесу спікання AlN визначали константи швидкості ущільнення та енергію активації процесу. Диспергування промислового порошку AlN проводили використовуючи планетарний активатор та вібраційний млин. Для дослідження ущільнення порошків різної дисперсності в інтервалі температур 1000-2000 оС застосовували технологію вільного спікання в атмосфері азоту при тиску 0,12 МПа, метод гарячого пресування при тисках до 30 МПа, та в апараті високого тиску типу “Тороїд” при тисках від 4 до 8 ГПа.

Для вивчення вихідних порошків та одержаних зразків кераміки застосовували растрову та просвічуючу електронну мікроскопію, вимірювання питомої поверхні порошків за методом БЕТ, гранулометрію, диференційний термічний аналіз, рентгенофазовий та рентгеноструктурний аналізи, вимірювання твердості за Віккерсом, наноіндентування, вимірювання електро- та теплопровідності, діелектричних характеристик. Міцність на злам визначали за трьох-точковою схемою при температурах до 1800 оС.

Наукова новизна одержаних результатів.–

Вперше стосовно умов вільного спікання в атмосфері азоту встановлено, що структурні закономірності спікання кераміки з нанодисперсного порошку AlN, полягають у проходженні етапів: коалесценції наночастинок всередині агрегатів; перетворення агрегатів в монокристалічні зерна; переходу адсорбованого кисню в оксинітридну фазу; розчинення оксинітридної фази в зернах матричної фази з утворенням твердого розчину кисню в AlN; переходу твердий розчин багатошарові політипи; збірної рекристалізації і росту зерен пластинчатої форми.–

Виявлено, що гідродинамічна обробка нанодисперсного AlN обумовлює зміну структури частинок порошку, яка полягає у високому рівні фрагментації, причому середній розмір частинок зменшується принаймні на порядок (з 70 до 6 нм). Показано, що процес вільного спікання одержаних гідродинамічним пресуванням порошкових компактів протікає шляхом: релаксації накопиченої енергії через пластичну деформацію; формування зерен з високою густиною дислокацій; утворення пластиноподібних прошарків багатошарових політипів, в результаті чого утворюється структура, яка складається як з видовжених зерен, так і з зерен, що містять політипні прошарки та зони з високою густиною дислокацій, які зберігаються в процесі спікання.

– Визначено закономірності зміни мікроструктури при отриманні методом вільного спікання керамічних композитів на основі AlN (з вмістом добавок до 21 % за об’ємом), які полягають в активуванні процесу ущільнення частинок основної фази в результаті таких факторів як підвищення об’ємної та зернограничної дифузії в частинках основної фази завдяки збільшенню їх дефектності в результаті попередньої ударно-стираючої обробки, а також в результаті введення малої кількості активуючих добавок (2–5 % за масою), які приводять до зростання ефективності масопереносу в результаті утворення рідкої фази між частинками основної фази, що дозволяє одержати гетерофазні структури (AlN-Mo, AlN-W, AlN-TiN, AlN-TiC, AlN-TiB2) з рівномірно розподіленими зернами тугоплавкої фази в матриці нітриду алюмінію.

– Показано, що в композитах AlN-Mo та AlN-W, розмір зерен основної нітридної фази в яких є меншим за середній розмір зерен металу, зміна електропровідності від непровідного до провідного стану, тобто поріг перколяції, має місце при збільшенні концентрації металу від 16 до 17 % (за об’ємом). Встановлено, що при рівномірному розподілі металічних включень в керамічній матриці за умови непровідності композиту має місце ефективне розсіяння і поглинання енергії електромагнітних хвиль міліметрового та сантиметрового діапазону.–

Встановлено, що діелектрична проникність композитів AlN-W та AlN-Mo при збільшенні концентрації металу до порогу перколяції зростає відповідно до 12,6 та 25,0 на частоті 3,2 ГГц. Визначено, що композити AlN з металоподібними тугоплавкими сполуками TiN, TiC, TiB2 характеризуються величиною діелектричної проникності у межах 9,8-23,7 на частоті 3,0 ГГц, причому найвище значення ? = 23,7 на частоті 3,0 ГГц має композит AlN-25% (за масою) TiN. Експериментально показано, що діелектричні властивості композитів на основі AlN сла-бо залежать від частоти електромагнітного поля в області частот 3-37 ГГц.

Практичне значення одержаних результатів. Використання методу вільного спікання дозволило одержати на основі нітриду алюмінію керамічні матеріали з високим рівнем властивостей: конструкційну кераміку з твердістю HV = 16,8 ГПа, тріщиностійкістю K1c = 4,7–4,9 MПaм1/2, міцністю при згині (20 oC) Rbm = 400–470 MПa; функціональну кераміку для поглинання мікрохвиль з діелектричною проникністю = 23 на частоті 3 ГГц і тангенсом діелектричних втрат tg  = 0,066 на частоті 3 ГГц.

Складено і затверджено Технологічну інструкцію “Гаряче пресування кераміки Елантініт-Н” (29.08.1991) та Технологічну інструкцію “Спікання кераміки Елантініт НВЧ” (29.08.1991).

Виготовлені керамічні пластини розміром 60х70х4 мм з розробленого діелектричного AlN матеріалу з низькими діелектричними втратами було використано на Київському заводі “Радар” для виготовлення радіаторів надвисокочастотних транзисторів до навігаційної радіолокаційної станції “Рось-С”. Випробування розроблених керамічних пластин-теплостоків з AlN показали їх перспективність для використання в електронному блоці підсилення відеосигналу і забезпечили покращання якості зображення на екрані локатора. Розроблена кераміка з коефіцієнтом теплопровідності 120 Вт/(мК) і питомим електричним опором 1012 Омм забезпечує необхідний рівень відводу тепла від транзисторів мікрохвильового діапазону для нормального режиму роботи відеопідсилювача радіолокаційної станції для суден типу ріка-море.

Розроблені композитні матеріали на основі AlN і тугоплавких металів при випробуваннях в НДІ “ОРІОН” виявились перспективними для використання у вакуумних електронних приладах типу ламп бігучої хвилі. Кермет AlN-Mo з коефіцієнтом теплопровідності 75 Вт/(мК) і питомим електричним опором 1012 Омм забезпечує необхідний для роботи ламп бігучої хвилі рівень поглинання електричної енергії міліметрового та сантиметрового діапазону.

Керамічні деталі сферичної форми діаметром 80 мм, одержані вільним спіканням з нанодисперсного порошку AlN, були передані для випробувань в умовах абразивних та ударних механічних навантажень на підприємство DMRL (контракт № 054173377-18.94 Hyderabad, India) та на фірму Advanced Materials Technology Int., LLC, Liquid Amber Place, USA (через СП “Маркетинг Надтвердих Матеріалів” м. Київ, Україна, за договором № 1701 від 10 квітня 2000 р.).

Для ДП “ОРІОН-ТЕЛЕКОМ” (м. Київ, Україна) за г/д № 1620 від 29.06.1999 р. виготовлено пластини поглиначів з кермету, і за г/д № 1701 від 10.04.2000 р. виготовлено партію кілець з кермету для поглинання мікрохвильової енергії.

В додатках наведені акти впровадження та приклади застосування розроблених матеріалів промисловістю.

Особистий внесок здобувача полягає у визначенні наукових задач досліджень, ним обґрунтовані методики розмелу вихідних порошків і приготування сумішей, режими спікання при нормальному та високому тисках, вперше проведені дослідження механічних властивостей одержаних зразків кераміки на різних масштабних рівнях, проведені вимірювання теплофізичних та діелектричних властивостей одержаних матеріалів, а також встановлені оптимальні рішення щодо складу композитів та режимів їх вільного спікання, науково обґрунтовані ефективні практичні рекомендації. Особисто автором були також сформульовані всі основні узагальнюючі положення і висновки дисертаційної роботи.

Дисертаційну роботу виконано у відділі перспективних технологій надвисоких тисків, дисперсних матеріалів та спікання кераміки Інституту надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України під керівництвом академіка НАН України М.В. Новікова. В дисертації узагальнені результати опублікованих наукових досліджень автора, виконані ним у 1990–2006 рр., і наведені в тексті. Деякі експериментальні результати, які стосуються кінетики та структуроутворення при спіканні кераміки при високих статичних тисках, були отримані спільно з д.т.н. І.А. Петрушею. Структурні дослідження частинок порошків та зразків кераміки було проведено спільно з д.ф.–м.н. Г.С. Олійник та д.т.н. В.В. Панічкіною.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації докладались на 12 міжнародних конференціях, симпозіумах, семінарах: на Міжнародному конгресі з кераміки “CIMTEC’98” у Флоренції, Італія, 14–19 червня 1998; на 3–му семінарі з кераміки “Дослідження матеріалів та застосування” у Штейнфурті, ФРН, 16-17 грудня 1999 р.; на 6-ій конференції Європейського керамічного товариства у Брайтоні, Великобританія, 20–24 червня 1999 р; на семінарі в Advanced Materials Technology International, L.L.C., у Вашингтоні, США, 2–3 березня 2000 р.; на семінарі “Алмазоподібні матеріали: одержання, структура, властивості” в ІНМ НАН України 23–24 травня 2000 р.; на семінарі NATO Advanced Study Institute “Functional Gradient Materials and Surface Layers, Prepared by Fine Particles Technology” 18–28 червня 2000 р. у Києві; на 15–му Міжнародному Планзеєвському семінарі в Ройте, Австрія, 28 травня – 1 червня 2001 р.; на Міжнародному конгресі з кераміки “CIMTEC’2002” у Флоренції, Італія, 14–18 липня 2002 р.; на семінарі NATO ARW “Nanostructured Materials and Coatings for Biomedical and Sensor Application” 4–8 серпня 2002 р. в Києві; на Європейському конгресі EUROMAT2003 в Лозанні, Швейцарія, 1–5 вересня 2003 р.; на семінарі NATO ARW “Innovative Superhard Materials and Sustainable Coatings” 12–15 травня 2004 р. в Києві; на 16-му Міжнародному Планзеєвському семінарі в Ройте, Австрія, 30 травня – 3 червня 2005 р.; на Міжнародному конгресі з кераміки “CIMTEC’2006” в Ачіреале, Італія, 4–9 червня 2006 р.

Матеріали дисертаційної роботи доповідались також на наукових семінарах в ІНМ (2002–2005 рр.) та в Інституті керамічних технологій та спечених матеріалів (Дрезден, Німеччина, 23.09.2003).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 44 роботи, в тому числі 19 статей (6 з яких без співавторів), 4 патенти та 2 деклараційні патенти.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, восьми розділів і висновків, списку літератури, який містить 161 найменування, має 93 рисунки, 35 таблиць, додатки на 9 сторінках. Загальний обсяг роботи 257 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрито суть та стан наукової проблеми, обґрунтована актуальність дисертаційної роботи, сформульовані мета і задачі досліджень, визначена наукова новизна та практична цінність одержаних результатів, показано зв’язок роботи з науковими програмами. Висвітлено особистий внесок здобувача, представлені відомості про апробацію результатів роботи та кількість публікацій.

У першому розділі зроблено аналіз робіт К. Тейлора, Г. Слека, Д. Герліха, А. Кобаяші, Х. Херда, К. Клайна, Х. Вольштедта, К. Комея, Я. Курокави, С. Буркхардта, І.-Л. Танген, А. Панасюк, В. Лавренка, Є. Бухаріна та інших, присвячених дослідженню характеристик AlN та способам одержання матеріалів на його основі. І хоча роботи згаданих учених торкаються і вирішують велике коло наукових, дослідницьких та технологічних проблем, дотепер залишаються невирішеними задачі одержання керамічних матеріалів на основі нітриду алюмінію методом спікання без застосування тиску, тобто вільним спіканням.

Нітрид алюмінію є тугоплавкою сполукою, що має дві структурні модифікації – гексагональну та кубічну. Кубічна модифікація нітриду алюмінію існує лише при тисках вищих 16,5 ГПа та температурах вищих 1400 оС. При нижчих тисках та температурах стабільною є гексагональна вюртцитна модифікація. Вюртцитна модифікація нітриду алюмінію має ступінь ковалентності структури 40-60 %. Ця обставина робить можливим проводити ущільнення матеріалу не тільки при високому, але і при атмосферному тиску.

Вибір металу з метою створення композитів на основі AlN визначається такими параметрами як температура плавлення, термічна стабільність, структурний тип, коефіцієнт термічного розширення та ін. Металічна складова композиту з керамічною матрицею повинна мати високу температуру плавлення для можливості одержання високощільного композиту при температурах, вищих за 1800 С. Беручи до уваги високу теплопровідність, немагнітні властивості та близькість їх коефіцієнтів теплового розширення до AlN, молібден та вольфрам в найбільшій мірі підходять як металічні складові таких композитів. Для створення композитів на основі нітриду алюмінію можуть бути використані також металоподібні тугоплавкі сполуки, напівпровідники та сполуки із змішаним типом провідності, наприклад, карбід кремнію, карбід бору, нітрид титану, карбід титану, диборид титану та інші.

У другому розділі наводиться опис обладнання, прийомів та методів, що застосовувались при розмелі, змішуванні вихідних порошків, при одержанні та дослідженні матеріалів на основі AlN.

Представлені на світовому ринку порошки AlN одержують методом прямого азотування або карботермічним методом. За вмістом небажаних домішок порошки AlN виробництва України та Латвії не поступаються порошкам світових фірм-виробників і можуть бути використані для одержання матеріалів з високим рівнем властивостей.

Мікронний порошок AlN ДЗХР – синтезований прямим азотуванням алюмінієвого порошку в атмосфері азоту. Одержані плазмохімічним синтезом нанодисперсний порошок (Інститут неорганічної хімії АН Латвії) має питому поверхню 15-20 м2/г. Типові електронно-мікроскопічні зображення частинок порошків ДЗХР та плазмохімічного представлені на рис. 1. Частинки нанодисперсного AlN є монокристалічними, частинки AlN ДЗХР – слабофорагментовані з азімутальним розорієнтуванням фрагментів.

Вміст кисню в нанопорошках визначали за допомогою хімічного аналізу за стандартними методиками та методом нейтроно-активаційного аналізу, який визначає сумарний вміст кисню, хімічно зв’язаного всередині та адсорбованого на поверхні частинок. В якості активатора спікання відносно більш крупного порошку AlN ДЗХР застосовували оксид ітрію та гідрид ітрію.

а) | б)

Рис. 1. Електронно-мікроскопічне зображення груп частинок типової морфології: а – нанодисперсний AlN; б – AlN ДЗХР.

Для розмелювання промислового порошку AlN використовували планетарний активатор та вібраційний млин. Інтенсивність цих двох видів диспергування відрізняється приблизно на два порядки, що відповідає істотній різниці в питомій потужності обладнання, тобто потужності, яка припадає на одиницю маси порошку, що розмелюється.

Для дослідження ущільнення порошків AlN різної дисперсності в інтервалі температур 1000-2000 оС застосовували технологію вільного спікання в атмосфері азоту при тиску 0,12 МПа, метод гарячого пресування при тисках до 30 МПа, та в апараті високого тиску типу “Тороїд” при тисках від 4 до 8 ГПа.

Для дослідження вихідних порошків та одержаних зразків кераміки застосовували растрову та просвічуючу електронну мікроскопію, вимірювання питомої поверхні порошків за методом БЕТ, гранулометрію, диференційний термічний аналіз (ДТА), рентгенофазовий та рентгеноструктурний аналізи, вимірювання твердості за Віккерсом, вимірювання електро- та теплопровідності, діелектричних характеристик. Міцність при зламі визначали за трьох-точковою схемою при температурах до 1800 оС.

У третьому розділі наведено результати кінетичних, рентгеноструктурних та електронномікроскопічних досліджень процесу подрібнення частинок AlN у вібро- та планетарному млинах, обґрунтовано вибір оптимальних технологій розмелювання.

При розмелі в вібраційному млині питома поверхня мікронного порошку AlN зростає до 4,5 м2/г, тобто приблизно вдвічі, за 3 год. Як показали вимірювання питомої поверхні при диспергуванні порошку нітриду алюмінію в планетарному активаторі процес подрібнення проходить найбільш інтенсивно протягом перших 3-х хвилин.

Результати хімічного аналізу порошків АlN різної тривалості розмелювання показали, що не спостерігається росту концентрації заліза після досягнення значень 0,30 і 0,60 % (за масою) при використанні, відповідно, вібро- та планетарного млина. Помірний рівень намелювання заліза може пояснюватись відносно низькими абразивними властивостями нітриду алюмінію. Гранулометричний аналіз порошків підтверджує, що диспергування в планетарному активаторі іде швидше в порівнянні з вібраційним млином. В планетарному активаторі за 2 хв середній розмір частинок порошку зменшується з 40,0 до 1,2 мкм, що досягається у вібромлині лише після 6-ти годинного (360 хв) розмелювання. Це відповідає різниці в енергонасиченості розмельного обладнання, що використовувалось.

Із зростанням тривалості розмелювання порошків величина фізичного розширення ліній зростає для всіх досліджуваних напрямів відбивання рентгенівських променів. Це свідчить про зростання дефектності частинок нітриду алюмінію.

Розміри частинок порошку, а також їх форма після обробки в планетарному млині практично не відрізняються від розмелених у вібромлині (рис. 2).

Рис. 2. Загальний вигляд частинок AlN ДЗХР після:

а) вібророзмелу (360 хв); б) планетарного розмелу (3 хв)

Дослідження порошків за допомогою електронної мікродифракції показали, що у розмелених порошків спостерігається підвищення дефектності. Частинки, розмелені у вібромлині, містять, в основному, скупчення дислокацій, а для розмелених у планетарному активаторі характерні окремі дислокації. Наявність дислокацій свідчить про пластичну деформацію частинок порошкових систем нітриду алюмінію при диспергуючій обробці.

Дослідження обробки порошкових сумішей в планетарному активаторі показали, що при цьому відбувається інтенсивне змішування, яке забезпечує певний рівень адгезії субмікронних керамічних частинок нітриду алюмінію до частинок молібдену. В результаті процесу інтенсивного перемішування одержано порошкові системи з ізотропно розподіленими крупними частинками молібдену, поверхня яких покрита окремими субмікронними частинками основної фази.

У четвертому розділі розглянуто особливості процесу спікання мікронного порошку AlN при різних тисках та з активуючими добавками.

Дослідження спікання при нормальному тиску показали, що усадка активно протікає для нанодисперсного порошку AlN. Більш крупний порошок AlN ДЗХР повільно спікається при нормальному тиску азоту. Термічний ефект з поглинанням тепла для нанодисперсного AlN пояснюється утворенням оксинітридної рідкої фази при температурі вище 1560 оС, що є одним з факторів, що обумовлює вищу швидкість усадки при його спіканні.

Відносно крупний порошок AlN ДЗХР ущільнюється без застосування активуючих добавок тільки гарячим пресуванням (рис. 3 а).

а) | б)

Рис. 3. Дилатограми ущільнення AlN (а) та AlN з добавкою 5 % (за масою) Y2O3 (б) при гарячому пресуванні.

Для описання кінетики процесу спікання використовували рівняння топохімічних реакцій Аврамі-Єрофеєва та рівняння Арреніуса. Зростання константи швидкості усадки K при гарячому пресуванні при 1800 оС в приблизно 2,5 рази, а при 1900 оС – на порядок, свідчить про інтенсифікацію процесів переносу маси. Помітний ріст швидкості усадки може бути обумовлений тим, що при температурі вищій за 1800 оС на границях зерен формується певна кількість рідкої фази, яку утворює оксинітрид, і спікання забезпечується дифузією через тонку плівку цієї рідкої фази.

З аналізу результатів експериментів по спіканню при різних тисках нанодисперсного порошку AlN та AlN ДЗХР можна зробити висновок, що одержати щільний матеріал спіканням при атмосферному тиску можна лише з нанодисперсного порошку. Порошок AlN ДЗХР може бути спечений до густини, близької до теоретичної, лише за умови підвищення ефективності масопереносу, наприклад, при введенні в порошкову систему спеціальних активаторів спікання.

Дослідження за допомогою ДТА та рентгенофазового аналізу порошкових систем нітриду алюмінію з оксидом ітрію, як активатором спікання, показали два екзоефекти на термограмах нагрівання, які пов’язані з утворенням YAlO3 (перовскіт) при температурі 1250 оС та Y3Al5O12 (гранат) при 1570–1640 оС, причому оксид ітрію переходить в склад гранату.

Порівняння кінетичних параметрів процесу з відповідними величинами для спікання AlN без добавок показало, що константи швидкості ущільнення та енергія активації спікання з активуючими добавками мають один порядок величини, тобто, величина енергії активації процесу масопереносу атомів матричної фази при спіканні не змінюється (рис. 3 б). Домінуючим механізмом ущільнення при температурах 1700–1900 оС є дифузія по границям зерен. При температурі 1850 оС утворюється рідка фаза, яка знаходиться в трійних стиках і на границях зерен. Процес спікання частинок AlN проходить шляхом розчинення–осадження матричної фази, швидкість усадки при цій температурі різко зростає.

При спіканні нітриду алюмінію при нормальному тиску в атмосфері азоту активуючі добавки так само як і при гарячому пресуванні впливають на усадку порошкової системи. Застосування домішок сполук ітрію значно прискорює процес усадки і робить можливим одержання щільного матеріалу (рис. 4).

Теплопровідність матричної фази AlN сильно залежить від способу ущільнення, присутності сполук ітрію і змінюється в процесі ущільнення. Так при гарячому пресуванні AlN ДЗХР теплопровідність матеріалу не перевищує 50 Вт/(мК). Введення добавки оксиду ітрію в шихту приводить при гарячому пресуванні до зв’язування домішкового кисню в ході рідкофазного спікання, що супроводжується ростом теплопровідності нітридної фази до 100 Вт/(мК). При вільному спіканні процес очистки від кисню проходить більш повно, що приводить до підвищення теплопровідності нітриду алюмінію до 180 Вт/(мК).

З ростом температури електричний опір нітриду алюмінію зменшується, що є типовим для діелектриків та напівпровідників. Перегин кривої температурної залежності електричного опору пов’язаний з переходом при підвищенні температури з області домішкової (1010–1013 Омм) в область власної провідності. |

Рис. 4. Мікроструктура матеріалу, одержаного вільним спіканням AlN + 5% (за масою) Y2O3. Злам, фазовий контраст (темна фаза – нітрид алюмінію; світла фаза – алюмоітрієвий гранат).

За одержаними даними навантаження-переміщення при наноіндентуванні визначили пластичність як відношення роботи пластичної деформації до повної роботи (рис. 5). Згідно такого енергетичного підходу, параметр пластичності для нітриду алюмінію є рівним 0,59. Високотемпературний відпал дещо понижує величину цього параметра – він стає рівним 0,57. |

Рис. 5. Криві навантаження індентора Берковича для вихідного (о) та відпаленого 100 год () зразків AlN. Площа під кривою ОА (фігура ОАВ) – повна робота, що виконана при навантаженні–розван-та-женні індентора. Площа під кривою СА (фігура САВ) – робота пружної деформації. Площа


Сторінки: 1 2 3





Наступні 7 робіт по вашій темі:

ЦЕМЕНТНО-ПІЩАНІ БЕТОНИ ТА ВИРОБИ, ОТРИМУВАНІ НАПІВСУХИМ ПРЕСУВАННЯМ БЕЗ ТЕПЛОВОЛОГОВОЇ ОБРОБКИ - Автореферат - 24 Стр.
ПСИХОЛОГІЧНІ ОСОБЛИВОСТІ ПРОЯВІВ АГРЕСИВНОСТІ В РАННЬОМУ ЮНАЦЬКОМУ ВІЦІ - Автореферат - 30 Стр.
маркетингове управління реалізацією стратегічного набору підприємства - Автореферат - 31 Стр.
Морфогенез щитоподібної залози при впливі на організм підвищеного рівня глюкокортикоїдів та їх інгібітора на різних етапах постнатального онтогенеза (анатомо-експериментальне дослідження) - Автореферат - 28 Стр.
ВИНИКНЕННЯ ТА ЕВОЛЮЦІЯ УКРАЇНСЬКОЇ КОЗАЦЬКОЇ СТАРШИНИ ГЕТЬМАНЩИНИ (1648-1782 рр.). ІСТОРІОГРАФІЯ ПРОБЛЕМИ - Автореферат - 29 Стр.
ІСТОРІЯ СТАНОВЛЕННЯ ТА РОЗВИТКУ ЛУКІВНИЦТВА В УКРАЇНІ (ДРУГА ПОЛОВИНА ХІХ - ХХ СТОЛІТТЯ) - Автореферат - 31 Стр.
ДИНАМІЧНІ ПРОЦЕСИ У ФОРМУВАННІ УКРАЇНСЬКОЇ ТЕРМІНОСИСТЕМИ ІНФОРМАТИКИ (словотвірний аспект) - Автореферат - 30 Стр.