Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Физико-математические науки
Физика конденсированного состояния

Диссертационная работа:

Буякова Светлана Петровна. Свойства, структура, фазовый состав и закономерности формирования пористых наносистем на основе ZrO#32#1 : диссертация ... доктора технических наук : 01.04.07 / Буякова Светлана Петровна; [Место защиты: НИУ "Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения РАН"]. - Томск, 2008. - 280 с. : 34 ил.

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Введение 4
Глава 1 Морфологическое строение и свойства дисперсного ZrC>2,

получаемого методом термического разложения 15

1.1. Особенности структуры и свойств диоксида циркония 16

  1. Методики исследований структуры, фазового состава и параметров кристаллической структуры порошковых и консолидированных материалов 23

  2. Морфология частиц и свойства порошков Zr02 - MgO 26

  1. Фазовый состав и параметры кристаллической структуры в порошках системы ZrC>2 - MgO 42

  2. Влияние механической обработки на структуру и фазовый

состав нанокристаллического порошка Zr02(MgO) 53

Заключение к первой главе 70

Глава 2 Формирование структуры пористой керамики из
высокодисперсных порошков Zr02(MexOy) 72

  1. Компактирование высокодисперсных порошковых систем 73

  2. Особенности консолидации высокодисперсных порошковых систем при спекании 81

  3. Уплотнение высокодисперсных порошков Zr02(MexOy)

при прессовании 87

  1. Спекание высоко дисперсного порошка Zr02(Y203) 99

  2. Спекание высокодисперсного порошка Zr02(Y203)

с порообразующими добавками 112

Заключение ко второй главе 116

Глава 3 Структура керамики, получаемой из высокодисперсного

порошка Zr02(Y203) 118

3.1. Пористая структура керамики, полученной

из высокодисперсного порошка Zr02(Y203) 119

  1. Фазовый состав, параметры тонкой кристаллической структуры пористой керамики Zr02(Y203) и их связь с морфологическим строением пористой структуры 132

  2. Исследования поверхностных структур пористой

нанокристаллической керамики Zr02(Y203) методом
фрактальной размерности * 143

Заключение к третьей главе 150

Глава 4 Деформационное поведение и механические свойства пористой
нанокристаллической керамики Zr02(Y203) 152

4.1. Особенности деформирования и разрушения керамических

материалов 153

4.2. Анализ диаграмм деформирования пористой

нанокристаллической керамики Zr02(Y203) 166

  1. Влияние пористости на характер деформационного поведения нанокристаллической керамики Zr02(Y203) 179

  2. Влияние пористости на физико-механические свойства керамических материалов 192

  1. Механические свойства пористой нанокристаллической керамики Zr02(Y203) 204

  2. Оптическая регистрация топологических изменений

на поверхности деформируемой керамики 217

4.7. Локализация деформации в пористой керамике Zr02(Y203)

при нагружении 225

Заключение к четвёртой главе 230

Глава 5 Керамические композиционные материалы на основе

нанокристаллического Zr02(Y203) и поликристаллических

металлических волокон 232

5.1. Структура и свойства композитов Zr02-Cu, Zr02-TiNi,

Zr02-NiCr 234

5.2. Граница раздела в композите Zr02-TiNi 246

Заключение к пятой главе 254

Глава 6 Биокомпозиты на основе нанокристаллического Zr02(Y203) 255

6.1. Материалы, используемые в эндопротезировании костной

ткани 255

6.2. Композиционные материалы на основе гидроксиапатита и
нанокристаллического Zr02(Y203) 265

6.3. Композиционные материалы на основе
Zr02-nonH-3-OKcn6yTepaTa 273

6.4. Биологическая аттестация нанокристаллического Zr02(Y203) 278
Заключение к шестой главе 281

Основные результаты и выводы по материалам исследований 283

Список цитируемой литературы 287

Приложения

Введение к работе:

Актуальность исследований. Пористые материалы – особый класс материалов, эксплуатационные характеристики которых определяются объёмом порового пространства и геометрией пор. Их области применения весьма обширны – это катализаторы, фильтры, мембраны с частичной проницаемостью, электроды, топливные и электролитные элементы, изоляционные элементы. Среди большого перечня пористых материалов, в числе которых металлы и органические соединения, особое место занимают керамики. Приоритетное положение керамик обусловлено, прежде всего, их высокой коррозионной, химической, радиационной стойкостью, термостойкостью, низкой теплопроводностью, что делает возможным продолжительную эксплуатацию пористых керамических элементов в условиях воздействия химически-агрессивных сред и повышенных температур без деградации свойств. Помимо применения в технических областях, в силу того, что керамика по типу химической связи близка к неорганическому матриксу кости, не оказывает токсического влияния на организм и способна длительное время сохранять механические характеристики, пребывая в биологически-активной среде, керамика используется в медицине для реконструкции и замещения костной ткани.

Между тем, пористые керамические материалы не лишены недостатков, основные из которых – низкая деформационная способность и потеря механической устойчивости с увеличением объёма порового пространства. Керамики – материалы с ионной или ковалентной связью и в большинстве случаев характеризуются низкой величиной вязкости разрушения. В значительной мере этого недостатка лишена керамика на основе частично стабилизированного диоксида циркония ZrO2(MexOy), в которой высокая вязкость разрушения (К=915 МПа*м-1) достигается посредством создания двухфазной структуры с максимальным содержанием метастабильной тетрагональной фазы, претерпевающей переход в моноклинную модификацию в поле напряжений фронтальной зоны трещины. Однако, как и для других керамических материалов, присутствие в циркониевой керамике пор сопровождается существенным снижением прочности. Принимая во внимание, что механические свойства керамик весьма чувствительны к размеру зерна, увеличение прочности пористых керамических материалов можно добиться путём уменьшения линейных размеров составляющих их структуру элементов (зерен, кристаллитов).

Существует несколько технологий, позволяющих получать материалы со стабильной мелкозернистой структурой, среди которых порошковая технология, основанная на использовании исходных нанокристаллических порошков. В настоящее время исследователями уделяется большое внимание получению и изучению физико-химических свойств нанокристаллических порошков. Высокодисперсные порошки ZrO2 и твердых растворов на его основе получают в основном химическими методами, один из которых - термическое разложение растворов солей. Преимущество этого метода заключается в возможности получения высокотемпературных фаз диоксида циркония, в том числе и в неравновесном состоянии, за счет высокой скорости охлаждения продуктов реакции.

Несмотря на потенциальные возможности увеличения прочности пористых керамических материалов, открываемые использованием в технологии их получения исходных наноразмерных порошков или порошков с нанокристаллической структурой, реализовать это на практике удается далеко не всегда. Основная причина, прежде всего, в недостатке знаний об эволюции структуры нанокристаллической порошковой системы, как на различных этапах технологического процесса синтеза материалов, так и при внешнем воздействии.

Цель диссертационной работы - изучение закономерностей формирования структур в наносистемах ZrO2(MexOy) и разработка керамик функционального назначения с иерархической пористой структурой.

Для реализации указанной цели необходимо было решить следующие конкретные задачи:

изучить 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, изучить эволюцию структуры нанокристаллической порошковой системы ZrO2(MgO) в процессе механической обработки;

изучить закономерности уплотнения нанокристаллических порошков ZrO2(MexOy) при прессовании и спекании;

изучить влияние нанокристаллического состояния исходных порошков на фазовый состав, тонкую кристаллическую структуру и макроструктуру получаемых на их основе пористых керамик ZrO2;

изучить механические свойства и деформационное поведение пористых керамик, получаемых из нанокристаллических порошков ZrO2(MexOy);

получить композиционные материалы на основе нанокристаллического диоксида циркония с включениями поликристаллических металлических волокон, с включениями частиц гидроксиапатита и композитов ZrO2 - поли-3-оксибутирати, исследовать их структуру и свойства;

осуществить медико-биологическую аттестацию пористой керамики, полученной из нанокристаллических порошков ZrO2(MexOy);

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.

Положения, выносимые на защиту

  1. Совокупность экспериментальных данных о фазовом составе, параметрах кристаллической структуры, морфологии частиц, физических и технологических свойствах порошков системы ZrO2 – MgO, получаемых методом термического разложения водных растворов азотнокислых солей циркония и магния в низкотемпературной плазме. Увеличение концентрации соли магния в прекурсоре сопровождается изменением формы преимущественного количества частиц в порошках от неизодиаметричной к сферической, увеличением среднего размера частиц и размера кристаллитов таким образом, что порошковая система переходит из «нанокристаллического» в «субмикрокристаллическое» состояние.

  2. При механической обработке нанокристаллической порошковой системы ZrO2(MgO) после интенсивного агрегирования на начальном этапе, в дальнейшем происходит её разделение на две самостоятельные подсистемы со значительным уменьшением среднего размера изолированных частиц, минимизацией количества агрегатов и появлением высокодефектной (рентгеноаморфной) составляющей. Заключительным этапом механической обработки нанокристаллической порошковой системы является её грануляция с формированием устойчивых к дальнейшему механическому воздействию сферических элементов.

  3. Присутствие в нанокристаллических порошковых системах элементов разного структурного типа является причиной проявления стадийности уплотнения в процессе компактирования и отсутствия смены преобладающего механизма уплотнения при прессовании нанокристаллических порошков с однотипной иерархией структуры в частицах. Увеличение количества агрегатов в нанокристаллических порошках сопровождается уменьшением скорости их уплотнения при прессовании.

  4. Для нанокристаллических порошковых систем существует критическая температура, нагрев до которой сопровождается их интенсивным уплотнением и отсутствием уплотнения на изотермической стадии. При спекании высокопористых прессовок из нанокристаллических порошков на стадии нагрева формируется устойчивая к дальнейшему уплотнению на изотермической стадии спекания каркасная структура из линейных цепочек нанокристаллических зёрен, для которой максимальной усадке при нагреве соответствует минимальная усадка при изотермической выдержке.

  5. Существует корреляция между размером кристаллитов высокотемпературной модификации ZrO2 и объёмом порового пространства в керамике из частично стабилизированного диоксида циркония, в которой прослеживается влияние двух факторов – рост кристаллитов с уменьшением уровня сжимающих напряжений при уменьшении площади контактов между соседними зёрнами и появление напряжений, инициируемых тетрагонально-моноклинным превращением, дробящих кристаллиты тетрагональной фазы диоксида циркония. Увеличение пористости в керамике из частично стабилизированного диоксида циркония ZrO2(Y2O3) сопровождается структурными изменениями - уменьшением доли высокотемпературной тетрагональной модификации ZrO2 в силу уменьшения критического размера зерна.

  6. Механизм макродеформации пористой нанокристаллической керамики ZrO2, наряду с чисто упругим деформированием и накоплением микроповреждений, проявляет нелинейную упругость, обеспеченную присутствием в керамическом каркасе стержневых элементов из нанокристаллических зёрен с высокой прочностью на границах раздела, способных к потере устойчивости, подобно продольно нагруженным стержням. При этом нелинейная упругость проявляется выше некоторого предельного значения пористости, соответствующего перколяционному переходу в системе материал – пора. Процесс накопления микроповреждений носит пороговый характер и после локального разрушения материал продолжает деформироваться по прежнему закону.

Апробация работы Результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях, симпозиумах, семинарах: Межрегиональной конференции с международным участием «Ультрадисперсные порошки, материалы и наноструктуры» (Красноярск, 2000), Межрегиональной конференции «Материалы Сибири» (Барнаул, 1998), V Всероссийской конференции «Физикохимия ультрадисперсных систем» (Екатеринбург, 2000), IV Всероссийской конференции «Физико-химические проблемы создания новых конструкционных керамических материалов. Сырье, синтез, свойства» (Сыктывкар, 2001), Международной научно-технической конференции «Экспериментальные методы в физике структурно-неоднородных конденсированных сред» (Барнаул, 2001), 8th International Scientific and Practical Conference of Students, Post-graduates and Young Scientists «Modern Technique and Technologies 2002» (Tomsk, 2002), Международной конференции «Байкальские чтения – II по моделированию процессов в синергетических системах», «Моделирование процессов в синергетических системах» (Максимиха, 2002), International Proc. Conf. on Modern Material and Tecnologies CIMTEC-2002 (Florence, Italy 2002), X APAM Topical Seminar and III Conference «Materials of Siberia» «Nanoscience and technology» devoted to 10th anniversary of APAM (Novosibirsk, 2003), Х Всероссийской научно-технической конференции «Физика и химия высокоэнергетических систем» (Томск, 2004), VII Всероссийской конференции «Физикохимия ультрадисперсных (нано)систем» (Ершово, 2005), Международной конференции по Физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов (Томск, 2006), Международной конференции «Ультрадисперсные порошки, наноструктуры, материалы: получение, свойства, применение» (Красноярск, 2006), II Международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов» (Москва, 2007), II Всероссийской конференции по наноматериалам «НАНО 2007», IV Российско-Белорусского международного семинара «Наноструктурные материалы - 2007» (Новосибирск 2007), Международной конференции «Новые перспективные материалы и технологии их получения НПМ-2007» (Волгоград, 2007), Международной конференции «Конструкции и технологии получения изделий из неметаллических материалов» (Обнинск, 2007).

Публикации Основные результаты исследований в рамках диссертационной работы опубликованы в 62 работах, 19 из которых в рецензируемых изданиях.

Объём и структура диссертации Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, основных выводов и списка цитируемой литературы из 299 наименований. Диссертация содержит 309 страниц, в том числе 126 рисунков и 10 таблиц.

Подобные работы
Королев Константин Геннадьевич
Электрические и магнитные свойства многослойных наноструктур (CO#45#1Fe#45#1Zr#310#1/[А]-Si:H)#3n#1 и (Co#345#1Fe#345#1Zr#310#1)#335#1(Al#32#1O#3m#1)#365#1/[А]-Si:H)#31n#1
Бондаренко Зоя Васильевна
Связи состав-структура-свойства в сложных оксидах со структурой типа тетрагональной вольфрамовой бронзы
Голованов Виктор Николаевич
Изменение механических свойств, состава и структуры нержавеющих сталей после больших доз облучения в исследовательских реакторах
Выборнов Николай Анатольевич
Структура и свойства замещенных лантан-стронциевых манганитов в зависимости от состава и условий высокотемпературного деформирования
Сучкова Елена Юрьевна
Закономерности эволюции структуры и фазового состава закаленной углеродистой стали при электростимулированной усталости
Морозов Максим Михайлович
Закономерности формирования фазового состава и дефектной субструктуры термоупрочненной стали на разных масштабных уровнях
Кунцевич Татьяна Эдуардовна
Закономерности формирования микроструктуры, фазовых превращений и свойств быстрозакаленных из расплава сплавах на основе никелида титана с эффектами памяти формы
Емельянов Антон Сергеевич
Влияние электрического поля на фазовые переходы, диэлектрические и пьезоэлектрические свойства монокристаллов (1-x)PbMg1/3 Nb2/3 O3-xPbTiO3
Карташев Андрей Васильевич
Теплофизические свойства кристаллов AxA'1-xLIMO4(M=S, Cr) при структурных фазовых переходах
Алиев Ахмед Магомедович
Особенности теплофизических свойств манганитов (Sm, La)1-xSr_xMnO_3 в области фазовых переходов

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net