введение Оксидные керамики можно считать лазерными только в том случае, когда керамика полностью свободна от пор (пустот) как в объеме зерен (кристаллитов)керамики, так и на границах раздела соседних зерен. Эффективные оксидные лазерные материалы, это, как привило, окислы с высокой температурой плавления. В частности, поэтому при формировании керамики свободной от остаточных пор на основе таких окислов возникает проблема эффективности спекания исходных порошков.Либо температура спекания слишком высока, что создает аппаратурные проблемы и, главное, приводит к образованию аномально больших зерен, либо температура недостаточно высока и в керамике остаются поры. Каждый раз при выборе температуры спекания стараются достичь максимальной плотности при температуре как можно более отличающейся от температуры плавления исходных оксидов. В общей практике спекания керамики это достигается применением трех основных приемов.Применение дополнительного внешнего давления, как источника дополнительной энергии, в процессе спекания, или после него. Использование исходных порошков нанометровых размеров, что увеличивает давление в точке контакта спекаемых частиц, являющейся движущей силой спекания.Введение в исходные смеси порошков дополнительных оксидов являющихся промоутерами процессов спекания, так называемых, спекающих добавок. Причем это не обязательно оксиды с температурой плавления ниже температуры плавления основной матрицы керамики. Для керамик на основе алюмоиттриевого граната (ИАГ,Y3Al5O12) чаше всего в качестве спекающей добавки используется оксид кремния SiO2 см. например [1]. В ряде работ в качестве спекающей добавки использовался оксид магния MgO см. например [2] и B2O3, см. например [3].Наиболее детально влияние спекающих добавок SiO2 иB2O3 исследовалось в работе [3], однако систематического комплексного исследования более широкого круга спекающих добавок не проводилось.
1.Техника эксперимента
За основу технологии получения керамик был выбран метод реактивного спекания, когда синтез ИАГ из исходных оксидов Y2O3 иAl2O3 происходит в процессе спекания. Исходными порошками Y2O3 служили порошки производства ООО Ланхит, Российская Федерация, а Al2O3 – порошки французской компании Baikowski. Для легирования использовались порошки оксидов алюминия и иттербия производства ООО Ланхит. Все указанные порошки имели чистоту на хуже 99.99% содержания основного вещества. Вспомогательные реактивы имели квалификацию не ниже “ХЧ”.
Технология изготовления деталей из неметаллических материалов и порошков
... литьем, выдавливанием, прессованием и др., с коэффициентом использования материала 0,9…0,95. Основными технологическими свойствами, которые необходимо учитывать при изготовлении из них изделий, являются текучесть, усадка, ... получают трубы, сложные по форме, и оболочки, а также крупногабаритные детали, имеющие форму тел вращения. 5 Изготовление деталей из пластмасс в твердом состоянии (листов, ...
1.1. Техника приготовления смеси порошков
Исходные порошки оксидов иттрия, алюминия и легирующих оксидов взвешивались с точностью не ниже 2.10-2%. Порошки помещались в мельничный контейнер из полиамида 6 с шарами из оксида алюминия, либо оксида циркония. В качестве дисперсной среды использовался изопропанол особой чистоты. Оксиды спекающих добавок вводились непосредственно в контейнер за исключением оксида циркония, который вводился как результат намола шаров ZrO2.Количество введенного оксида циркония определялось по результатам взвешивания шаров до и после помола. Помол-смешение проводился на планетарной мельнице типа Netzsch PM 400. Число оборотов платформы- 150 об/мин, число оборотов контейнера -300 об/мин, радиус диска 200 мм, время помола -15 часов. П окончании помола контейнер с шарами и суспензией выдерживались в сушильном шкафу при 60оС в течение 30 часов. Шары отделялись от порошка, а порошок протирался через нейлоновое сито 200 меш. Полученный порошок отжигался в алундовом контейнере при температуре 1000оС в течение 2 часов.
1.2. Техника приготовления компактов
Компакты готовились простейшим методом прессования сухого порошка при его одноосном сжатии в металлической пресс-форме. Для удобств масштабных исследований, в нашем случае большого числа сходных по общей схеме опытов, но с различным составом керамик диаметр компактов был выбран не большим- 10 мм. В большинстве случаев компакты прессовались при одноосном сжатии,и толщина их не превышала 2 мм. Давление при прессовании выдерживалось равным 200-230 МПа. В ряде случаев компакты прессовались в два приема: на первом этапе – одноосным сжатием при 50 МПа и на втором- в условиях изостатического сжатия с давлением 200-230 МПа. Существенной разницы между этими способами прессования не обнаружено. Действительно разница в однородности плотности двух компактов малой толщины и небольшого диаметра при одноосном и изостатическом сжатии невелика и сказывается только в краевых зонах компактов. Отпрессовки – компакты отжигались на воздухе при температуре 1000- 1100оС в алундовой таре в течение 6 часов для удаления органических примесей привнесенных при помоле и прессовании. Плотность компактов и готовых образцов керамик после спекания измерялась методом Архимеда.
1.3. Спекание образцов
Спекание образцов керамик проводилось в вакуумной печи с графитовым нагревателем. Образцы помещались в контейнер из листового вольфрама. Нагрев осуществлялся по, так называемому, “S” образному профилю – вначале относительно быстро, затем достаточно медленно, затем снова быстро. При этом скорость нагрева на “быстрых” участках составляла 100-200оС в час, а на “медленном” участке 0.2-1.0 оС в минуту. Медленный участок выбирался в соответствии с данными дилатометрических исследований и приходился на область температур, в которой скорость усадки имела максимальное значение. Выдержка при максимальной температуре составляла 15-20 часов. Скорость охлаждения составляла образцы керамик 250-300оС в час. Давление в рабочей камере при максимальной температуре составляло 3-5 х10-4 Ра. По окончании процесса спекания образцы подвергались отжигу в атмосфере воздуха при температуре 1100оС в течение 32 часов для удаление вакансий по кислороду и снятия возможных механических напряжений. После спекания образцы шлифовались и полировались до оптического качества поверхностей.
Технологические схемы производства различных видов керамики
... характеристика. Общая схема технологических этапов производства керамических материалов и ее характеристики. Основные технологические схемы производства различных видов керамики: керамического ... температурам и химической инертностью. По составу тугоплавкие материалы представляют собой керамические смеси тугоплавких оксидов, ... более доступным и более легким в работе. Это был фарфор. Еще долго его ...
1.3 Характеризация порошков, компактов и образцов керамики
Порошки характеризовались по величине удельной поверхности и морфологии. Удельная поверхность измерялась ВЕТ методом, морфология исследовалась методом сканирующей электронной микроскопии. Исследованы термические свойства полученных керамик, методами дилатометрии (DIL), сканирующей калориметрии (DSC) и термогравиметрии (TG), а также исследованы рентгеноструктурные характеристики керамик после спекания. Все измерения выполнены на оборудовании Института электрофизики УрО РАН.
2. Результаты исследований
Использованные спекающие добавки и их концентрации приведены в таблице 1.
Таблица 1. Оксиды, вводимые в состав керамики ИАГ и диапазон изменения их концентраций.
Перечисленные добавки вводились в различных комбинациях. Все использованные комбинации объединены в три группы А,В,С. Соотношение катионов в этих группах представлено в таблице 2
Таблица 2. Соотношение катионов в вводимых добавках представленное в виде трех групп А,В,С. Успех в приготовлении керамик определялся качеством размола смеси исходных порошков оксидов, образующих матрицу керамики ИАГ. Условия помола подбирались таким образом, чтобы в конечной смеси порошков отсутствовали агломераты более 300 нм. На рис. 1 представлена фотография смеси порошков оксидов алюминия и иттрия после удачного помола. Видно , что в данной смеси отсутствуют агломераты размером более 200 нм.
Рис.1. Смесь порошков оксидов иттрия алюминия и иттербия соответствующих в количественном соотношении стехиометрии YAG : Yb (5 at/%) после удачного помола и протирки через сито 200 меш.
На рис.2 представлены кривые усадки и их производные по температуре для образцов керамик представляющих всю совокупность добавок. Видно, что при изменения состава добавок характер усадки и, соответственно, спекания заметно меняется. В этой совокупности зависимостей можно выделить условно три группы керамик со сходным поведением усадки и кривых спекания. Эти три группы представлены на рис.3. Рис. 2. Температурные зависимости усадки dL/Lo, спекания (сплошные линии) и их производные dL/dT по температуре (пунктирные линии) для керамик YAG:Yb с раздичными комбинациями спекающих добавок приведенных в таблице 1.
Рис.3. Три характерных группы керамик с комбинациями спекающих добавок перечисленных в таблице 2. Цифры 1,2,3 у сплошных кривых соответствуют номерам составов указанных в таблице 2. Пунктирные кривые представляют производные кривых усадки по температуре и обозначены соответствен 1d, 2d, 3d.
На рисунке видно, что увеличение содержания оксида бора температура максимальной скорости усадки и температура окончания усадки значительно уменьшаются, и керамика достигает максимальной плотности при температурах порядка 1550-1600оС – кривые 1 и 2. При небольшой доле оксида бора и при наличии оксида магния керамика достигает максимальной плотности при температурах существенно выше 1550оС. Для этой группы образцов температура максимума скорости усадки находится вне рабочей области прибора. Как указывалось выше, в процессе спекания, одновременно происходит синтез граната из смеси исходных оксидов. При этом для кривых 3 и, соответственно, комбинации спекающих добавок 3 (табл.2) как показал рентгенофазовый анализ (РФА) синтез граната при температуре 1550оС еще не завершен. На рис.4 приведен спектр РФА образца из группы 3 после его охлаждения от температуры 1550оС. Видно, что помимо фазы собственно граната составляющей примерно 93% присутствуют фазы Al2Y4O9 и YAlO3-орто, являющиеся промежуточными при образовании граната Y3Al5O12. Соответственно в таких керамиках при 1550оС еще обязательно присутствуют оксиды иттрия и алюминия, не обнаруженные на спектрах РФА. Напротив, для керамик, имеющих в своем составе спекающие добавки из групп 1 и 2 (табл. 2) при температуре 1550оС синтез фазы граната полностью заканчивается как видно из рис.5. Таким образом, керамики из этой группы при температуре несколько ниже 1600оС является однофазными, по крайней мере, в пределах точности РФА. Рис.4. Спектр РФА образцов спекающие, добавки в которых относятся к группе 3 в таблице 2 и на рис. 3. В правой верхней части указан фазовый состав образца. Исследовался образец, охлажденный от температуры 1550оС.
Назначение и свойства керамики и смазочных материалов
... шликера на механизированных конвейерных линиях. Радио- и пьезо- керамика, керметы и другие виды технической керамики в зависимости от их размеров и формы изготовляются главным образом прессованием из ... и газовой фаз. Классификация, состав и строение керамики Керамика - изделия и материалы, получаемые спеканием глин и их смесей с минеральными добавками, а также окислов и др. неорганических ...
Рис.5. Спектр РФА образцов спекающие, добавки в которых относятся к группам 1 и 2 в таблице 2 и на рис. 3. В правой верхней части указан фазовый состав образца. Исследовался образец, охлажденный от температуры 1550оС.
Оксиды спекающих добавок такие как ZrO2 и MgO имеют высокую температуру плавления и, соответственно. Низкое давление пара при температура спекания керамики ИАГ. Эти оксиды остаются в массиве образцов керамики. Напротив, оксид бора и оксид кремния должены достаточно интенсивно испаряться при температурах спекания. Действительно, в образцах содержащих комбинацию оксидов бора и кремния в спектрах ВЫС заметно наличие пиков соответствующих, видимо, испарению оксида бора, Как это показано на рис.6. Испарение оксида кремния находится вне пределов измерительного прибора. Рис.6 Спектр сканирующей дифференциальной калориметрии DSC для образцов имеющие спекающие добавки соответствующие группе 2 в таблице 2 и на рис.3.
18
Pores size, mcm
1500 1600 1700 1800
Sintering temperature, oC
Рис.7, Зависимость размера зерен керамик от температуры спекания в мкм. Черная линиясоответствует образцам, имеющим в составе спекающие добавки из группы А (табл.2).
Красная линия – из группы В, и синяя линия – из группы С.
В образцах со спекающими добавками, значительно понижающими температуру Тм достижения максимальной платности закономерно ожидать увеличение размеров зерен. Действительно, как видно из рисунка 7 в керамиках из группы А (согласно таблице 2) размер зерен 4-5 раз превышает размер зерен в керамика группы С. с дугой стороны снижение Тм способствует существенному уменьшению числа остаточных пор.
Рис. 8. Размер остаточных пор в образцах керамик в зависимости от температуры спекания. Красная линия образцы содержащие оксид циркония в качестве спекающей добавки. Черная линия – образцы из групп А и С согласно таблице 2.
Ускорение твердения бетона с помощью добавок
... модифицированные лигносульфонаты) относятся к сильнопластифицирующим (2 группа пластифицирующих добавок); ь ЛСТ (лигносульфонаты технические) среднепластифицирующие - 3 группа пластифицирующих добавок. Вязкая жидкость 50 %-ной концентрации ... первый с использованием (образцы №5), второй с использованием (образцы №6), третий с использованием (образец 7), четвертый с использованием (образец 8). В итоге ...
На рис.8 приведены зависимости объема остаточных пор в единицах ррм для образцов с различными комбинациями спекающих добавок. На рисунке видно, что в образцах из групп А и С согласно таблице 2 объем остаточных пор весьма низок и соответствует кажущейся плотности образцов порядка 99,99 %. Измерить плотность с такой точностью крайне сложно, поэтому результат можно оценить по спектрам in-line пропускания которые представлены на рис. 9. На рисунке величина пропускания в области 800 – 1000 нм равна 84.5%, что соответствует теоретическому уровню пропускания для монокристалла. На рис.10 представлена зависимость inline пропускания от температуры спекания для различного состава спекающих добавок. Измерения выполнены на длине волны генерации Nd:YAG лазера. На рисунке видно, что спекающие добавки из групп А и В технологически выгодны, так как требуют более низких температур спекания и зависимость пропускания пропускания от мемпературы не является резкой. Таким образом, используя спекающие добавки из ряда перечисленных выше оксидов в их различных комбинациях можно регулировать процесс спекания керамик в различных диапазонах темпрератур. Можно выделить как миниму три диапазона: “низких” -1250-1350оС, “средних” 1500-1570оС и “высоких” температур — 1650-1750оС (см. рис.2 и 3).
Спекание в каждом из этих диапазоном по -разному отражается на два существенных параметра керамики такие как размер зерен и остаточная пористость. Тот факт, что в комбинированных добавках обогащенных оксидом бора можно получать керамики свободные от остаточных пор, позволяет предположить что
Рис. 9 . Спектр in-line пропускания
Образцов ИАГ ссо спекающими
добавками из групп А и С
Цифры указывают температуру
спекания. На вставке приведен
внешний вид образцов
Рис. 10. In-line оптическое
пропускание образцов ИАГ на длине
волны 1,06 мкм в зависимости от
температуры спекания.
Черная кривая образца из группы В в
таблице 2, красная кривая –из
группы А и синия кривая- из группы
С
Имеет место одновременное влияния на скорость спекания и скорость движения границ раздела зерен. Выбирая состав комплексной спекающей добавки можно получить свободныу от пор керамику с желаемой структурой зерен. Это крайне важно при получении так называемых керамических композитов, т.е. керамик с относительно резким изменением состава, или концентрации легирующей примеси по одному из направлений. Использую это были получены пробные структуры композитов YAG / Yb(Nd,Cr):YAG /YAG c хорошим качеством (отсутстве пор) границ раздела областей YAG / Yb:YAG. Для выполнения описанных выше исследований в рамках работы были разработаны и изготовлены лабораторные планетарные мельныцы и прессы холодного изостатического прессования не уступающие зарубежным ангалогам.
Заключение
Изучено влияние малых (порядка одного мольного %) добавок к химическому составу алюмоиттриевого граната (ИАГ).
Разработана технология получения методом реактивного спекания лазерной керамики ИАГ с высокой степенью воспроизводимости параметров и оптическим пропусканием вблизи 1 микрона (область лазерной генерации), равным предельному теоретическому. Комплексные добавки раздельно регулируют скорости спекания в областях “низких” -1250-1350оС, “средних” 1500-1570оС и “высоких” — 1650-1750оС температур, обеспечивая удаление пор в керамике. Получены и изучены образцы керамик ИАГ, легированного Yb, Nd и Cr, а также монолитные градиентные среды с указанными ионамиактиваторами и хромом. Изготовлены планетарная мельница и аппарат для холодного изостатического прессования образцов диаметром до 80 мм.
Строительная керамика. Производство кирпича и огнеупоров
... область техники. Целью данной курсовой работы является исследование строительной керамики, производства кирпича и огнеупоров. Для реализации данной цели нами были поставлены ... только повышают пористость керамических изделий, но также способствуют равномерному спеканию керамического черепка. Пластифицирующими добавками являются высокопластичные глины, бентониты, а также поверхностноактивные вещества ...
Цитированные источники
[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/referat/yi-po-lazernomu-spekaniyu/
