Systems. Methods. Technologies 3 (39) 2018

Systems Methods Technologies. S.A. Ghyngazov et al. Effect of silicon … 2018 № 3 (39) p. 159-163 160 Введение На сегодняшний день сферы применения пористой керамики на основе диоксида циркония весьма разно- образны [1]. Она используется в качестве фильтров [2– 4], мембран [5–7], носителей катализаторов [3; 8–10], в биомедицине [3; 11–14], при создании газовых датчи- ков [15; 16] и многих других областях науки и техники. Ее уникальные физико-химические свойства, такие как высокая коррозионная стойкость, устойчивость к высо- ким температурам, радиационным воздействиям, био- логическая совместимость обеспечивают керамике приоритетное положение в этих областях по сравнению с металлами и полимерами. Важной задачей при созда- нии пористой оксидной керамики является обеспече- ние требуемого сочетания заданного значения порис- тости и высоких механическими характеристик готово- го продукта. Известен ряд методов получения пористой циркониевой керамики: метод гелевого литья [17], ли- тье при резком изменении температуры [18], добавле- ние порообразующего агента [19]. В основе этого ме- тода лежит добавление к исходному керамическому сырью горючей добавки, удаляемой на этапе спекания. При этом в готовых изделиях присутствуют продукты сгорания порообразующего агента. Это часто недопус- тимо, особенно в материалах медицинского назначения [20]. В то же время, в качестве добавки можно исполь- зовать вещества, способствующие созданию пористой структуры, но сохраняющиеся в готовой керамике. Од- ним из таких веществ является диоксид кремния (SiO 2 ). SiO 2 в виде наноразмерного порошка активно ис- пользуется в различных областях промышленности и науки. Это обусловлено рядом необычных свойств, в частности, низкой диэлектрической постоянной, малой теплопроводностью, высокой удельной площадью по- верхности и высокой термической стабильностью. На- нопорошок SiO 2 применяется в качестве добавок при производстве лакокрасочных изделий, антикоррозий- ных, антифрикционных и гидрофобных покрытий, ре- зиновых изделий [21; 22], а также в строительной об- ласти в качестве добавок для бетонов, сухих строи- тельных смесей, термостойких и теплоизоляционных материалов [23; 24]. В последнее время нанопорошок SiO 2 находит применение при создании молекулярных мембран, работающих в химически агрессивных средах при высоких температурах [25–27]. Пористую циркониевую керамику можно получить, снижая температуру спекания. Однако этот путь при- водит к сильному ухудшению механических свойств и поэтому не является оптимальным. Гораздо больший эффект можно получить, используя добавки, повы- шающие пористость керамики при сохранении высо- ких механических характеристик. В качестве такой добавки перспективно использовать нанопорошок ди- оксида кремния. В этой связи представляет интерес проследить, как добавка нанопорошка диоксида цирко- ния влияет на механические характеристики цирконие- вой керамики. Цель данной работы — изучение влияния добавки нанопорошка SiO 2 , полученного путем электронно- лучевого испарения, на пористость и механические свойства спеченной циркониевой керамики. Методика эксперимента. В качестве исходного использовался ультрадисперсный порошок состава 97ZrO 2 -3Y 2 O 3 (моль%), полученный методом разложе- ния водных растворов азотнокислых солей циркония и иттрия в плазме высокочастотного разряда [28]. Харак- теристики исходного порошка (тип А) представлены в табл. 1 [29]. Известно, что данные порошки характери- зуются плохой компактируемостью [30]. С целью улучшения плотности компактов порошки обрабатыва- лись в планетарной мельнице «Активатор-2SL» с бара- банами и мелющими шарами из диоксида циркония. Соотношение массы шаров к массе порошка равнялось 1,5. Время помола составило 30 мин при частоте вра- щения 1 500 об/мин. Таблица 1 Характеристики исходного порошка диоксида циркония Удельная поверхность, м 2 ·г –1 Средний диаметр, нм Фазовый состав, % масс 14,1 70,9 ZrO 2 (62 t+38 m) Нанопорошок SiO 2 получен путем электронно- лучевого испарения кварцевого песка (99,6 % SiO 2 , Ташлинское месторождение, Россия) в атмосфере воз- духа [32]. Согласно данным работы [32], в порошке присутствуют как мелкие частицы, образующие агло- мераты, так и относительно небольшое количество крупных частиц. Основная масса частиц имела размер 10–20 нм, максимальный размер не превышал 50 нм, средний размер частиц равен 23 нм. Изменение объема пористого пространства цирко- ниевой керамики обеспечивалось варьированием вели- чины добавки нанопорошка SiO 2 к исходному керами- ческому порошку стабилизированного диоксида цир- кония. Добавка SiO 2 в порошок диоксида циркония осуществлялась в количестве 5, 10 и 30 масс.% (по- рошки типов Б, В и Г соответственно). Введение до- бавки осуществлялось механическим перемешиванием. Для более равномерного распределения добавки полу- ченный порошок многократно просеивался через сито с размером ячейки 200 мкм. Из подготовленных порошков изготавливались компакты без добавок (тип А) и с добавкой SiO 2 (ти- пы Б–Г). Порошковые компакты в форме цилиндров диаметром 9 мм и толщиной около 3 мм изготавлива- ли одноосным статическим прессованием при давле- нии 140 МПа на лабораторном гидравлическом прессе ПГР-10. Исследование кинетики уплотнения в процессе спе- кания компактов производилось на высокочувстви- тельном дилатометре DIL402C фирмы NETZSCH (Гер- мания) в воздушной среде. Температура спекания со- ставляла 1 400 °С, время изотермической выдержки — 1 ч. Скорость нагрева и охлаждения составляла 10 ºС/мин и была одинакова во всех режимах. Для уче- та вклада линейного расширения толкателя и держате- ля образцов результаты измерений корректировали с учетом предварительно проведенной калибровки с ис- пользованием стандартного корундового образца.