Автореферат диссертации на соискание учёной степени доктора
технических наук: 01.04.07. – физика конденсированного состояния. —
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томский
государственный университет, Томский политехнический университет. —
Томск, 2008. — 44 с.
Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор С.Н. Кульков. Цель диссертационной работы — изучение закономерностей формирования структур в наносистемах ZrO2(MexOy) и разработка керамик функционального назначения с иерархической пористой структурой.
Научная новизна результатов исследований заключается в следующем:
Впервые получены данные о влияние соотношения компонентов на физические и технологические свойства, морфологию частиц, фазовый состав, параметры кристаллической структуры фаз в порошках системы ZrO2 – MgO, получаемых методом термического разложения жидкофазных прекурсоров в низкотемпературной плазме. Выявлено, что увеличение количества MgO в системе ZrO2 – MgO сопровождается изменением формы преимущественного количества частиц в порошках от неизодиаметричной к сферической и, что самое главное, сопровождается увеличением среднего размера кристаллитов, когда порошок переходит из «нанокристаллического» в «субмикрокристаллическое» состояние.
Обнаружено, что при спекании нанокристаллической порошковой системы ZrO2(Y2O3) с большим объемом порового пространства на стадии нагрева формируется особая каркасная структура, устойчивая к уплотнению на изотермической стадии спекания, состоящая из линейных цепочек, составленных нанокристаллическими зернами с высокой прочностью связи на границах раздела.
Выявлено, что увеличение пористости в керамике из частично стабилизированного диоксида циркония сопровождается уменьшением доли высокотемпературной тетрагональной модификации ZrO2 вследствие уменьшения критического размера зерна.
Обнаружено, что независимо от объёма порового пространства в нанокристаллической керамики ZrO2(Y2O3) при нагружении происходит трансформационное упрочнение за счёт реализации мартенситного тетрагонально-моноклинного превращения.
Обнаружена корреляция между размером кристаллитов высокотемпературной тетрагональной модификации диоксида циркония и объёмом порового пространства в керамике ZrO2(Y2O3), в которой проявляется влияние двух факторов - рост кристаллитов и наличие сжимающих напряжений, инициируемых тетрагонально-моноклинным превращением, дробящих кристаллиты тетрагональной фазы, и приводящих к их уменьшению при увеличении объёма порового пространства.
Обнаружено, что керамика, получаемая из нанокристаллического порошка ZrO2(Y2O3), с объемом порового пространства выше порога протекания, в процессе нагружения проявляет нелинейную упругость, которая реализуется за счет обратимого изгиба, нанокристаллических стержневых элементов составляющих структуру каркаса.
Практическая значимость результатов работы
В рамках диссертационной работы создан класс пористых нанокристаллических керамик на основе частично стабилизированного диоксида циркония с принципиально новым соотношением структура – свойства. Разработанные керамики по сравнению с крупнокристаллическими пористыми циркониевыми керамиками при аналогичных параметрах пористой структуры обладают большей прочностью и предельной деформацией, что существенно расширяет области их применения.
Данные о влиянии состава прекурсора на морфологию частиц, физические и технологические свойства порошков системы ZrO2 – MgO имеют практическое значение при опытно-промышленном и промышленном производстве высокодисперсных порошков частично стабилизированного диоксида циркония методом термического разложения водных растворов азотнокислых солей магния и циркония в низкотемпературной плазме.
Показано, что при механической обработке нанокристаллической порошковой системы ZrO2(MgO) происходит её разделение на две самостоятельные подсистемы со значительным уменьшением среднего размера изолированных частиц, минимизацией количества агрегатов и появлением высокодефектной (рентгеноаморфной) составляющей, что позволяет направленно варьировать её технологические свойства.
Полученные в работе обширные экспериментальные данные о закономерностях формирования структуры нанокристаллических керамик ZrO2(Y2O3) позволяют существенно расширить применение нанокристаллических порошков в производстве пористых керамических изделий с новыми эксплуатационными характеристиками.
В рамках диссертационной работы создан класс композиционных материалов на основе нанокристаллической керамики ZrO2(Y2O3) медицинского назначения, сочетающих в себе высокую прочность и толерантность к биологическим тканям, что позволит расширить использование керамики в медицине, в частности, для реконструкции и замещения костной ткани.
Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор С.Н. Кульков. Цель диссертационной работы — изучение закономерностей формирования структур в наносистемах ZrO2(MexOy) и разработка керамик функционального назначения с иерархической пористой структурой.
Научная новизна результатов исследований заключается в следующем:
Впервые получены данные о влияние соотношения компонентов на физические и технологические свойства, морфологию частиц, фазовый состав, параметры кристаллической структуры фаз в порошках системы ZrO2 – MgO, получаемых методом термического разложения жидкофазных прекурсоров в низкотемпературной плазме. Выявлено, что увеличение количества MgO в системе ZrO2 – MgO сопровождается изменением формы преимущественного количества частиц в порошках от неизодиаметричной к сферической и, что самое главное, сопровождается увеличением среднего размера кристаллитов, когда порошок переходит из «нанокристаллического» в «субмикрокристаллическое» состояние.
Обнаружено, что при спекании нанокристаллической порошковой системы ZrO2(Y2O3) с большим объемом порового пространства на стадии нагрева формируется особая каркасная структура, устойчивая к уплотнению на изотермической стадии спекания, состоящая из линейных цепочек, составленных нанокристаллическими зернами с высокой прочностью связи на границах раздела.
Выявлено, что увеличение пористости в керамике из частично стабилизированного диоксида циркония сопровождается уменьшением доли высокотемпературной тетрагональной модификации ZrO2 вследствие уменьшения критического размера зерна.
Обнаружено, что независимо от объёма порового пространства в нанокристаллической керамики ZrO2(Y2O3) при нагружении происходит трансформационное упрочнение за счёт реализации мартенситного тетрагонально-моноклинного превращения.
Обнаружена корреляция между размером кристаллитов высокотемпературной тетрагональной модификации диоксида циркония и объёмом порового пространства в керамике ZrO2(Y2O3), в которой проявляется влияние двух факторов - рост кристаллитов и наличие сжимающих напряжений, инициируемых тетрагонально-моноклинным превращением, дробящих кристаллиты тетрагональной фазы, и приводящих к их уменьшению при увеличении объёма порового пространства.
Обнаружено, что керамика, получаемая из нанокристаллического порошка ZrO2(Y2O3), с объемом порового пространства выше порога протекания, в процессе нагружения проявляет нелинейную упругость, которая реализуется за счет обратимого изгиба, нанокристаллических стержневых элементов составляющих структуру каркаса.
Практическая значимость результатов работы
В рамках диссертационной работы создан класс пористых нанокристаллических керамик на основе частично стабилизированного диоксида циркония с принципиально новым соотношением структура – свойства. Разработанные керамики по сравнению с крупнокристаллическими пористыми циркониевыми керамиками при аналогичных параметрах пористой структуры обладают большей прочностью и предельной деформацией, что существенно расширяет области их применения.
Данные о влиянии состава прекурсора на морфологию частиц, физические и технологические свойства порошков системы ZrO2 – MgO имеют практическое значение при опытно-промышленном и промышленном производстве высокодисперсных порошков частично стабилизированного диоксида циркония методом термического разложения водных растворов азотнокислых солей магния и циркония в низкотемпературной плазме.
Показано, что при механической обработке нанокристаллической порошковой системы ZrO2(MgO) происходит её разделение на две самостоятельные подсистемы со значительным уменьшением среднего размера изолированных частиц, минимизацией количества агрегатов и появлением высокодефектной (рентгеноаморфной) составляющей, что позволяет направленно варьировать её технологические свойства.
Полученные в работе обширные экспериментальные данные о закономерностях формирования структуры нанокристаллических керамик ZrO2(Y2O3) позволяют существенно расширить применение нанокристаллических порошков в производстве пористых керамических изделий с новыми эксплуатационными характеристиками.
В рамках диссертационной работы создан класс композиционных материалов на основе нанокристаллической керамики ZrO2(Y2O3) медицинского назначения, сочетающих в себе высокую прочность и толерантность к биологическим тканям, что позволит расширить использование керамики в медицине, в частности, для реконструкции и замещения костной ткани.