🔍 Поиск готовых работ

🔍 Поиск работ

Влияние условий золь-гель синтеза на физико-химические свойства прекурсоров и керамики на основе диоксида циркония

Работа №127871

Тип работы

Магистерская диссертация

Предмет

химия

Объем работы83
Год сдачи2022
Стоимость4960 руб.
ПУБЛИКУЕТСЯ ВПЕРВЫЕ
Просмотрено
155
Не подходит работа?

Узнай цену на написание


ВВЕДЕНИЕ 4
1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 6
1.1. Физико-химические свойства ZrO2 6
1.1.1. Полиморфизм ZrO2 7
1.1.2. Твердые растворы замещения 12
1.1.2. а. Кубические твердые растворы на основе ZrO2 15
1.1.2.б. Тетрагональные твердые растворы на основе ZrO2 19
1.2. Методы исследования полиморфов ZrO2 19
1.3. Методы синтеза прекурсоров на основе ZrO2 23
1.3.1. Процессы гидролиза и полимеризации в растворах солей ZrO2+ 24
1.3.2. Золь-гель синтез 29
1.3.3. Прочие методы синтеза 31
1.4. Спекание керамики на основе ZrO2 33
1.4.1. Искровое плазменное спекание (SPS) 34
1.5. Литературный обзор: выводы 35
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 37
2.1. Методика получения образцов 37
2.2. Экспериментальные методы исследования образцов 41
3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ 45
3.1. Исследование последовательности фазовых равновесий в прекурсорах на
основе ZrO2, полученных золь-гель синтезом, - серия I 45
3.2. Исследование влияния концентрации осадителя на фазообразование и
агломерацию в прекурсорах на основе ZrO2 - серия II 55
3.3. Исследование влияния добавки минерализатора на фазообразование и
агломерацию в прекурсорах на основе ZrO2 - серия III 60
3.4. Исследование свойств керамики на основе недопированного
ZrO2 - серия IV 68
3.5. Заключение 72
ВЫВОДЫ 73
БЛАГОДАРНОСТИ 74
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 75
ПРИЛОЖЕНИЯ 79

Разработка современных керамик на основе ZrO2 с заданными характеристиками (фазовым составом, твердостью, пористостью и др.) является актуальной научной задачей, поскольку позволяет расширить область температур эксплуатации, а также фазовую стабильность материалов на их основе. Диоксид циркония ZrO2 существует в виде трех полиморфных модификаций: моноклинной, стабильной при температурах от комнатной и до ~1200 оС, тетрагональной с областью стабильности от ~1200 и до ~2400 оС и кубической, образующейся при температурах выше ~2400 оС. При комнатной температуре тетрагональная и кубическая модификации ZrO2 метастабильны и обратимо переходят в моноклинную. Введение оксидов-стабилизаторов позволяет добиться стабилизации высокотемпературных модификаций диоксида циркония за счет формирования твердых растворов на их основе.
Применение керамики и, следовательно, прекурсоров ZrO2 определяется их фазовым составом. Моноклинный ZrO2 используется ограниченно (в составе огнеупоров и ультрафильтрационных мембран), в то время как тетрагональная фаза ZrO2 широко используется как конструкционная керамика для производства имплантатов и зубных коронок на ее основе. Кубический же ZrO2 используют в качестве твердых электролитов для различных электрохимических устройств. В связи с этим возможность расширения области температурно-концентрационной области существования высокотемпературных фаз ZrO2 сегодня представляет как фундаментальный, так и прикладной интерес. Использование жидкофазных методов синтеза является привлекательным, поскольку они включают набор разнообразных параметров, которые можно варьировать для получения порошков необходимой дисперсности, фазового состава и т.д. Так, коммерческие порошки на основе диоксида циркония, выпускаемые фирмой Tosoh (Япония), синтезируют по методике соосаждения, включающей кипячение растворов солей цирконила ZrO2+с обратным холодильником. Тем не менее, получение современных керамик из таких порошков осложнено низкой реакционной способностью коммерческих прекурсоров, а также их температурное разрушение, связанное с протеканием полиморфных превращений. Таким образом, целью данной работы стало исследование влияния условий золь-гель синтеза (концентрация осадителя, изменение ионной силы раствора, природа солей цирконила) на фазообразование, дисперсность, а также термическую эволюцию прекурсоров и на основе недопированного и стабилизированного ZrO2, а также физико¬химические свойства керамик, полученных на их основе.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
• исследование конкурентных процессов гидролиза различных солей цирконила и осаждения гидроксида из водных растворов с различной ионной силой, а также с различной концентрацией осадителя;
• синтез прекурсоров недопированного и стабилизированного ZrO2 методом обратного соосаждения при различных параметрах синтеза;
• исследование термоэволюции прекурсоров, тепловых эффектов их дегидратации и кристаллизации в зависимости от среды синтеза и природы солей цирконила;
• исследование взаимосвязи изменения фазового состава и дисперсности прекурсоров с ростом температуры прокаливания и сравнение полученных данных с фазовой диаграммой системы ZrO2-Y2Os в интервале температур 20-1100 °С;
• получение керамики на основе недопированного и стабилизированного ZrO2 методом искрового плазменного спекания при 1400 и 1450 °С и исследование её физико-химических свойств.


Возникли сложности?

Нужна помощь преподавателя?

Помощь в написании работ!
ДИПЛОМНЫЕ МАГИСТЕРСКИЕ ДИССЕРТАЦИИ
КУРСОВЫЕ СТАТЬИ ВКР

Таким образом, по результатам данной работы можно сделать следующие выводы:
1. исследование термоэволюции прекурсоров из ZrO2 методами СТА, РФА и Рамановской спектроскопии позволило однозначно установить, что в результате фазового перехода «аморфная ^ кристаллическая фаза» образуется именно метастабильная тетрагональная, а не кубическая модификация, которая сосуществует с моноклинной фазой вплоть до 1100 °С;
2. методами потенциометрии, СТА, лазерной седиментографии показано, что зависимость температуры кристаллизации от концентрации осадителя имеет немонотонный характер. При переходе от 0.5 к 0.2 М раствору аммиака в процессе осаждения в температура кристаллизации прекурсоров ZrO2 уменьшается скачком на ~80 °С, что связано с достижением размера агломератов в порошках меньше критического значения ~1.2 мкм;
3. методами СЭМ, адсорбции/десорбции азота, РФА, СТА показано, что добавление минерализатора NH4NO3 в раствор исходных реагентов приводит к рыхлой мозаичной структуре агломератов, уменьшению их размера, а также существенному снижению площади поверхности образцов на основе ZrO2 после синтеза;
4. оптимальным для синтеза прекурсроров на основе ZrO2 было выбрано обратное соосаждение 0.1 М раствор ZrO(NO3)2 в 1 М растворе аммиака в качестве осадителя без добавки минерализатора;
5. методами СЭМ, РФА, гидростатического взвешивания и индентирования показано, что керамика из ZrO2, спеченная из порошков, полученных в настоящей работе, обладает более высокой относительной плотностью и микротвердостью, а также лучшей степенью сформированности по сравнению с керамикой, полученной из коммерческого образца Tosoh.



1. Л. Полинг. Общая химия. М.: Мир, 1974. С. 168, 170, 540.
2. А.Р. Вест. Химия твердого тела. В 2 т. Т. 1. М.: Мир, 1988. С. 45, 329-342, 544.
3. Ahrens L.H. The use of ionization potentials Part 1. Ionic radii of the elements. Geochimica et cosmochimica Acta, 2 (1952). P. 155-169.
4. У.Б. Блюменталь. Химия циркония. М.: Издательство иностранной литературы, 1963. С. 112, 116, 145, 147, 163, 252.
5. А.А. Воронков, Н.Г. Шумяцкая, Ю.А. Пятенко. Кристаллохимия минералов циркония и их искусственных аналогов. М.: Наука, 1978. C. 9, 50-53, 69, 165, 167.
6. В.С. Урусов, Н.Н. Еремин. Кристаллохимия. Часть 2. М.: Издательство МГУ, 2005. С. 6, 13, 47, 50, 237.
7. System ZrO2. E.M. Levin and H.F. McMurdie, National Bureau of Standards, Gaithersburg, Maryland; private communication, 1975.
8. Справочник химика / Под. ред. Б.П. Никольского. В 7 т. Л.: Химия, 1964. Т. 2. С. 258.
9. Perry C.H., Liu D.W., Ingel R.P. Phase characterization of partially stabilized zirconia by Raman spectroscopy. J. Аmer. ССГ.Soc., 68 (1985). P. 184-187.
10. Yashima M. et al. Metastable-stable phase diagrams in the zirconia-containing systems utilized in solid-oxide fuel cell application. Solid State Ionics, 86-88 (1996). Р. 1131¬1149.
11. Физико-химические свойства окислов / Под ред. Г.В. Самсонова. М.: Металлургия, 1969. С. 21, 29, 86, 96, 446.
12. У.Л. Брэгг, Г.Ф. Кларингбулл. Структура минералов. М.: Мир, 1967. С. 119.
13. А.Р. Вест. Химия твердого тела. В 2 т. Т. 2. М.: Мир, 1988. С. 37, 264-265.
14. Mirgorodsky A.P., Smirnov M.B., Quintard P.E. Phonon spectra evolution and soft- made instabilities of zirconia during the c-t-m transformation. Journal of Physics and chemistry of Solids, 60 (1999). P. 985-992.
15. В.С. Урусов, Н.Н. Еремин. Компьютерное моделирование структур и свойств кристаллов - современные достижения и возможности. М.: Вестник МГУ, 2004.
16. Б.Я. Сухаревский, Б.Г. Алапин, А.М. Гавриш. Об особенностях кинетики полиморфного превращения двуокиси циркония при охлаждении М.: Доклады Академии наук, 1964. Т. 156. №. 3. С. 677-680.
17. Suyama Y., Mizobe T. and Kato A. ZrO2 powders produced by vapor phase reaction. Ceramics International 3, (1977). Р. 141-146.
18. Asadikiya M. et al. Phase diagram for a nano-yttria-stabilized zirconia system. RSC advances 6, (2016). P. 17438-17445.
19. Д.Л. Агеева. Диаграммы состояния неметаллических систем. М.: Итоги науки, 1968. Выпуск III. С. 35, 54, 65.
20. Ф.Я. Галахов. Диаграммы состояния систем тугоплавких оксидов. Л.: Наука, 1985. Выпуск 5, ч.1.
21. The system zirconia-scandia. R. Ruh, H.J. Garrett, R.F. Domagala, V.A. Patel. J. Amer. Cer. Soc. 60, (1977). P. 399-403.
22. System ZrO2-Y2Os. V.S. Stubican, J.R. Hellmann and S.P. Ray, Mater. Sci. Monogr., 10. React. Solids, Vol. 1, 1982. P. 257-261.
23. T. Noguchi, M. Mizuno. Phase Changes in the ZrO2-TiO2 System. Bulletin of the Chemical Society of Japan, 1968.
24. И.И. Вишневский, Б.Я. Сухаревский, К.И. Аксельрод. Диффузионные процессы в многоподрешеточных бинарных системах, содержащих структурные вакансии. М.: Доклады Академии наук, 1973. Т. 212. №. 3. С. 611-614.
25. Г.И. Чуфаров. Физическая химия окислов. М.: Наука, 1971. С. 106-114.
26. Р.М. Гаррелс, Ч.Л. Крайст. Растворы, минералы, равновесия. М.: Мир, 1968. С. 47.
27. The system zirconia-hafnia. R. Ruh, H.J. Garrett, R.F. Domagala, N.M. Tallan. J. Amer. Cer. Soc. 51, (1968). P. 23-27.
28. Feinberg A., Perry C. H. Structural disorder and phase transitions in ZrO2-Y2O3 system. Journal of Physics and Chemistry of Solids, 42 (1981). P. 513-518.
29. Е.А. Укше, И.Г. Букун. Твердые электролиты. М.: Наука, 1977. С. 43, 45.
30. Barsoum M. Fundamentals of ceramics. CRC press, 2019. P. 385.
31. Konakov V. G. et al. Agglomerate Size in Precursors and Mechanical Strength of Solid Elestrolytes Based on Y2Os-ZrO2 System. Materials physics and mechanics 16, (2011).
32. Berry F. J. et al. The influence of pH on zirconia formed from zirconium (IV) acetate solution: characterization by X-ray powder diffraction and Raman spectroscopy Journal of Solid State Chemistry 145, (1999). Р. 394-400.
33. А.Н. Лазарев. Колебательные спектры и строение силикатов. Л.: Наука, 1968. С. 6-12.
34. Kontoyannis C. G., Orkoula M. Quantitative determination of the cubic, tetragonal and monoclinic phases in partially stabilized zirconias by Raman spectroscopy. Journal of materials science, 29 (1994). P. 5316-5320.
35. Mathur S., Driess M. From Metal-Organic Precursors to Functional Ceramics and Related Nanoscale Materials. Elsevier, 2007. P. 35-70.
36. Prakasam M. et al. Nanostructured pure and doped zirconia: syntheses and sintering for SOFC and optical applications. Sinter. Technol. Method Appl., 85 (2018). P. 90.
37. Б.Г. Линсен. Строение и свойства сорбентов и катализаторов/ Перевод З.З. Высоцкого. М.: Мир, 1973. С. 333, 337, 341-342.
38. England W.A. et al. Fast proton conduction in inorganic ion-exchange compounds. Solid State Ionics 1, (1980). P. 231-249.
39. Химия координационных соединений / Под ред. И.И. Черняева. М.: Издательство иностранной литературы, 1960. С. 392.
40. Kurapova O.Y., Konakov V.G. Phase evolution in zirconia based systems. Rev. Adv. Mater. Sci., 36 (2014). P. 177-190.
41. О.Ю. Курапова и др. Фазообразование и стабильность твёрдых растворов в наноразмерных прекурсорах на основе диоксида циркония, полученных криохимическими методами. Вестник Санкт-Петербургского университета. Серия 4, Т. 3. №. 3 (2016). С. 296-310.
42. Mayo M.J. Processing of nanocrystalline ceramics from ultrafine particles International materials reviews 41, 3 (1996). P. 85-115.
43. Ivanov V.K. et al. Mesostructure, fractal properties and thermal decomposition of hydrous zirconia and hafnia. Russian Journal of Inorganic Chemistry 54, 14 (2009). P. 2091-2106.
44. Li Y. et al. Comparative Study of Yttria-Stabilized Zirconia Synthesis by Co-Precipitation and Solvothermal Methods. JOM, 71 №. 11 (2019). P. 3806-3813.
45. Fujisaki H., Kawamura K., and Imai K. Translucent zirconia sintered body, process for producing the same, and use of the same. U.S. Patent Application No. 12/936,484 (2011).
46. Балкевич В.Л. Техническая керамика. М.: Издательство литературы по строительству, 1968. С. 155.
47. Glukharev A. et al. YSZ-rGO composite ceramics by spark plasma sintering: The relation between thermal evolution of conductivity, microstructure and phase stability. Electrochimica Acta, 367 (2021). P. 137533.
48. Roquerol, F. R. J. S., Rouquerol, J., & Sing, K. (1999). Adsorption by powders and solids: principles, methodology, and applications. Academic Press, London, 54, 15893-15899.
49. У. Уэндландт. Термические методы анализа. М.: Мир, 1978. С. 198.
50. C. Грег, К. Кинг. Адсорбция, удельная поверхность, пористость. М.: Мир, 1984. С. 15, 75.


Работу высылаем на протяжении 30 минут после оплаты.



Подобные работы


©2025 Cервис помощи студентам в выполнении работ
.