Материалы и методы нанотехнологий : учебное пособие
жүктеу/скачать 3.3 Mb. Pdf көрінісі
|
глава 2. Получение компактных двумерных и трехмерных наноматериалов го диапазона (диапазон частот от 24 до 84 ГГц) в технологическом ги- ротронном комплексе мощностью в несколько киловатт. Объемное поглощение сверхвысокочастотной энергии обусловливает одновре- менный равномерный нагрев всего образца, поскольку скорость на- грева не ограничена теплопроводностью, как в традиционных методах спекания. Это позволяет получать спеченную керамику с однородной микроструктурой. Например, компактные образцы Al 2 O 3 были получены холодным изостатическим и магнитно-импульсным прессованием нанопорошка со средним размером частиц 26 нм. Относительная плотность спрес- сованных образцов составляла 52 и 70 % соответственно. В резуль- тате микроволнового спекания с максимальной температурой 1570 и 1770 K удалось получить образцы Al 2 O 3 плотностью 99 % и средним размером кристаллитов около 80 нм. Традиционные методы спекания не всегда позволяют создать проч- ное соединение разных керамических материалов. Например, обыч- ными методами нельзя получить механически прочное соединение ZrO 2 и Al 2 O 3 , что необходимо при создании устройств типа термоба- рьеров. Применение нанокристаллических материалов и использова- ние микроволнового спекания позволяют решить эту задачу. Соеди- нение ZrO 2 и Al 2 O 3 достигается благодаря использованию спеченной прослойки из наноразмерной композитной керамики 60 об. % ZrO 2 + + 40 об. % Al 2 O 3 со средним размером зерен 100 нм. Относительная плотность прослойки составляет 96–98 % от теоретической плотно- сти. Кратковременный микроволновый нагрев сборки «ZrO 2 /про- слойка/Al 2 O 3 » до 1700 K обеспечивает высокопрочное соединение оксидов ZrO 2 и Al 2 O 3 . 2.2. Нанокерамика В последнее время все более широкое применение находят керами- ческие материалы в наноструктурном состоянии. В широком смысле к керамическим материалам относят класс материалов, получаемых спеканием дисперсных порошков достаточно тугоплавких и хрупких в обычных условиях веществ различной физико-химической природы: оксиды, нитриды, карбиды, бориды, силициды и другие керамические 79 2.2. Нанокерамика материалы. Керамику делят на две группы: конструкционную и функ- циональную. К первой группе относят материалы, используемые для создания механически стойких конструкций и изделий. Ко второй — керамику со специфическими электрическими, магнитными, опти- ческими и другими свойствами. Важнейшими компонентами совре- менной керамики являются: оксиды алюминия, циркония, кремния, бериллия, титана, магния; нитриды кремния, бора, алюминия; кар- биды тугоплавких металлов, кремния, бора и др. Применение конструкционной керамики обусловлено такими ха- рактеристиками, как высокая температура эксплуатации, твердость, прочность, коррозионная стойкость и др. Слабое место керамики — низкая трещиностойкость и пластичность. Для нанокерамики обна- ружено повышение пластичности при низких температурах, а при повышенных температурах нанокристаллические материалы могут проявлять свойства сверхпластичности. Среди конструкционной керамики следует выделить карбиды и ни- триды тугоплавких металлов (W, Ti, V, Ta и др.) и сплавов на их основе. Основные области их применения — это износостойкие инструменты и различные детали (сверла, фрезы, прокатные валки, штампы и др.). Объем их производства постоянно возрастает. Так, только в 2000 году было произведено более 12 000 т субмикрокристаллических и нано- кристаллических твердых сплавов. Многие материалы конструкционного назначения базируются на основе оксидной нанокерамики, в частности, на основе ZrO 2 , Al 2 O 3 , V 2 O 3 , TiO 2 и др. Среди оксидной нанокерамики особое место занима- ет диоксид циркония. Нанокерамика на основе ZrO 2 обеспечивает вы- сокую стойкость изделия в агрессивных средах, имеет повышенную жаропрочность, износостойкость, термостойкость, стойкость к ради- ационному воздействию. Так, срок службы плунжеров шахтных на- сосов из ZrO 2 в десять раз превышает время эксплуатации плунжеров из легированной стали. Нанокерамика из диоксида циркония может способствовать соз- данию новых альтернативных источников энергии. Уже сейчас соз- даются топливные элементы с керамическим оксидным электродом (SOFC) из диоксида циркония. Эти элементы позволяют непосред- ственно превращать химическую энергию топлива в электрическую с коэффициентом эффективности от 50 до 60 %. |