Роль агломератов нанопорошков в формировании структуры и свойств керамических материалов

Проведена сравнительная характеристика агломератов, полученных методами распылительной сушки и грануляции, и консолидированных материалов на их основе. Представлены результаты исследований гранулированных в водной среде с добавлением агар-агара нанопорошков диоксида циркония, частично стабилизированного оксидом иттрия (2,5 мол.%), полученных химическим осаждением, и приготовленного методом распылительной сушки порошка марки TZ-3Y-E производства «Tosoh Corp.» (Япония). Исследования агломератов, а также микрошлифов и изломов образцов проводили методами сканирующей электронной, оптической, атомно-силовой микроскопии и спектроскопии комбинационного рассеяния света. Коэффициент трещиностойкости (K_1с) образцов определяли методом индентирования полированной поверхности микрошлифов пирамидой Виккерса. Измеренная методом тепловой десорбции азота удельная поверхность порошков при гранулировании остается неизменной, что указывает на значительную открытую пористость полученных агломератов. При увеличении давления прессования в условиях полусухого прессования с водным раствором поливинилового спирта в качестве связки происходит разрушение агломератов и даже агрегатов гранулированных порошков, коэффициент K_1с возрастает при повышении давления прессования и сопровождающем его измельчении микроструктуры материала. Порошки, агломерированные с применением распылительной сушки, разрушаются значительно менее интенсивно, K_1с не изменяется с увеличением давления прессования. Проведенные исследования позволяют согласиться с авторами, указывающими на фрактальную природу агломератов, полученных из химически осажденных нанопорошков без использования распылительной сушки. Применение гранулированных нанопорошков при полусухом прессовании с приложением высоких давлений позволяет разрушить не только агломераты, но и агрегаты и получить наноструктурированную керамику с размером зерна, близким к размеру первоначальных частиц.

1. Галахов А.В. Агломераты в нанопорошках и технология керамики. Новые огнеупоры. 2009. No. 9. С. 20—25. DOI: 10.1007/s11148-010-9212-x.

2. Dogan F., Roosen A., Hausner H. Agglomerate formation, compact characteristics and sintering of ceramic powders. J. Phys. Colloq. 1986. Vol. 47 (C1). Р. 231—235. DOI: 10.1051/jphyscol:1986134.

3. Геворкян Э.С., Мельник О.М., Чишала В.А., Сирота В.В. Фазовые и структурные состояния в нанокристаллических порошках на основе диоксида циркония. Огнеупоры и техн. керамика. 2012. No. 7—8. С. 26—31.

4. Карбань О.В., Хазанов Е.Н., Хасанов О.Л., Саламатов Е.И., Гончаров О.Ю. Наследственность и модификация наноструктурной керамики ZrO2 в процессе изготовления. Перспект. материалы. 2010. No. 6. С. 76—85.

5. Айлер Р. Химия кремнезема. Пер. с англ. М.: Мир, 1982. Ч. 1.

6. Федоров П.П., Иванов В.К. Кооперативный механизм образования кристаллов путем агрегации и сращивания наночастиц. ДАН. 2011. Т. 437. No. 4. С. 468—471.

7. Balakrishnan A., Pizette P., Martin C.L., Joshi S.V., Saha B.P. Effect of particle size in aggregated and agglomerated ceramic powders. Acta Mater. 2010. Vol. 58 (3). P. 802—812. DOI: 10.1016/j.actamat.2009.09.058.

8. Cawley J.D., LaRosa J., Dirkse F. Agglomeration of ceramic powders. The NASA Laser Light Scattering Advanced Technology Development Workshop. 1988. P. 185—197.

9. De Martin L., Fabre A., Van Ommen J.R. The fractal scaling of fluidized nanoparticle agglomerates. Chem. Eng. Sci. 2014. Vol. 112. P. 79—86. DOI: 10.1016/j.ces.2014.03.024.

10. Цветкова И.Н., Шилова О.А., Дроздова И.А., Гомза Ю.П. Исследование фрактальной структуры гибридных фосфоросиликатных и боросиликатных материалов, полученных золь-гель методом. Перспект. материалы. 2011. No. 13. С. 888—894.

11. Болтачев Г.Ш., Волков Н.Б. Моделирование процесса компактирования нанопорошков в рамках гранулярной динамики. Журн. техн. физики. 2011. Т. 81. Вып. 7. С. 18—29.

12. Dulina N.A., Baumer V.N., Danylenko M.I., Mateychenko P.V., Tolmachev A.V., Vovk О.М., Yavetskiy R.P. Effects of phase and chemical composition of precursor on structural and morphological properties of (Lu0.95Eu0.05)2O3 nanopowders. Ceram. Int. 2013. Vol. 39. Iss. 3. P. 2397—2404. DOI: 10.1016/j.ceramint.2012.08.092.

13. Иванова Е.А., Конаков В.Г. Проблемы агломерации порошков-прекурсоров системы ZrO2—HfO2—Y2O3. Вестн. СПбГУ. 2007. Сер. 4. Вып. 2. С. 106—110.

14. Groot Zevert W.F.M., Winnubst A.J.A., Theunissen G.S.A.M., Burggraaf A.J. Powder preparation and compaction behaviour of fine-grained Y—TZP. J. Mater. Sci. 1990. Vol. 25. Iss. 8. Р. 3449—3455. DOI: 10.1007/BF00575369.

15. Габелков С.В., Тарасов Р.В., Миронова А.Г. Изменение пористой структуры при спекании стабилизированного иттрием оксида циркония. Порошк. металлургия. 2011. No. 3/4. С. 35—43.

16. Mazaheri M., Simchi A., Golestani-Fard F. Densification and grain growth of nanocrystalline 3Y-TZP during two-step sintering. J. Eur. Ceram. Soc. 2008. Vol. 28. Iss. 15. P. 2933—2939. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2008.04.030.

17. Поздеева Т.Ю., Шоков В.О. Агломерация как важный этап технологической схемы получения изделий из нанопорошков. В сб.: Инновационные технологии в материаловедении и машиностроении — ИТММ-2019: Матер. 4-й науч.-практ. конф. с междунар. участием (г. Пермь, 23—27 сент. 2019 г.). Пермь: Перм. нац. иссл. политехн. ун-т, 2019. С. 217—218.

18. Порозова С.Е., Зиганьшин И.Р. Роль синтетических и природных полимеров в процессе формирования наночастиц и наноматериалов. В сб. Техническая химия. От теории к практике: Матер. 3-й междунар. конф. (г. Пермь, 15—19 окт. 2012 г.). Пермь: ООО «Печатный салон «Гармония», 2012. С. 12—16.

19. Порозова С.Е., Сметкин А.А., Солнышков И.В. Состав и строение поверхности высокопористых материалов на основе диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2016. No. 4. С. 68—75. DOI: 10.3103/S1067821217060098.

20. Анциферов В.H., Порозова С.E., Кульметьева В.Б. Влияние добавок водорастворимых полимеров на фазовый состав и размеры частиц диоксида циркония при осаждении из растворов солей. Физика и химия стекла. 2012. Т. 38. No. 3. С. 402—408. DOI: 10.1134/S1087659612030029.

21. Ghosh A., Suri A.K., Pandey M., Thomas S., Rama Mohan T.R., Rao B.T. Nanocrystalline zirconia-yttria system— a Raman study. Mater. Lett. 2006. Vol. 60. Iss. 9—10. P. 1170—1173. DOI: 10.1016/j.matlet.2005.10.102.

22. Liang B., Ding C., Liao H., Coddet C. Study on structural evolution of nanostructured 3 mol.% yttria stabilized zirconia coatings during low temperature ageing. J. Eur. Ceram. Soc. 2009. Vol. 29. Iss. 11. P. 2267—2273. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2009.01.002.

23. Kurogi Y. Recent trends in dry etching. Thin Solid Films. 1982. Vol. 92. Iss. 1—2. P. 33—40. DOI: 10.1016/0040-6090(82)90185-7.

24. Gogotsi G.A., Dub S.N., Lomonova E.E., Ozersky B.I. Vickers and Knoop indentation behaviour of cubic and partially stabilised zirconia crystals. J. Eur. Ceram. Soc. 1995. Vol. 15. Iss. 5. P. 405—413. DOI: 10.1016/0955-2219(95)91431-M.

25. Галахов А.В. Структура порошкового компакта. Ч. 1. Неоднородность упаковки частиц. Новые огнеупоры. 2014. No. 5. С. 22—32. DOI: 10.1007/s11148-014-9690-3.

26. Габелков С.В., Тарасов Р.В., Миронова А.Г., Литвиненко Л.М. Эволюция структурной организации наноразмерного порошка оксида циркония при размоле и прессовании. Физика и техника высоких давлений. 2008. Т. 18. No. 2. С. 98—110.

27. Мошников В.А., Грачева И.Е., Аньчков М.Г. Исследование наноматериалов с иерархической структурой, полученных золь-гель методом. Физика и химия стекла. 2011. Т. 37. No 5. С. 672-684. DOI: 10.1134/S1087659611050063.