📄Работа №201079
Тема: ФОРМИРОВАНИЕ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ФАЗ В ОКСИДАХ АЛЮМИНИЯ И ЦИРКОНИЯ В ПОСТОЯННОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ ПРИ СПЕКАНИИ КОМПАКТИРОВАННЫХ ПОРОШКОВ
Тип работы
Диссертация
Предмет
физика
Объем:
175 листов
Год:
2020
Просмотров:
60
700
руб.
🛒 Купить работу
Не подходит эта работа?
Закажите новую по вашим требованиям
Узнать цену на написание
Закажите новую по вашим требованиям
Представленный материал является образцом учебного исследования, примером структуры и содержания учебного исследования по заявленной теме. Размещён исключительно в информационных и ознакомительных целях.
Workspay.ru оказывает информационные услуги по сбору, обработке и структурированию материалов в соответствии с требованиями заказчика.
Размещение материала не означает публикацию произведения впервые и не предполагает передачу исключительных авторских прав третьим лицам.
Материал не предназначен для дословной сдачи в образовательные организации и требует самостоятельной переработки с соблюдением законодательства Российской Федерации об авторском праве и принципов академической добросовестности.
Авторские права на исходные материалы принадлежат их законным правообладателям. В случае возникновения вопросов, связанных с размещённым материалом, просим направить обращение через форму обратной связи.
Настоящий учебно-методический информационный материал размещён в ознакомительных и исследовательских целях и представляет собой пример учебного исследования. Не является готовым научным трудом и требует самостоятельной переработки.
📋 Содержание
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. МОДЕЛИ СТРУКТУР ОКСИДНЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
И ДИНАМИЧЕСКИЕ ИЗМЕНЕНИЯ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ ПОД
ДЕЙСТВИЕМ ВНЕШНИХ ФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ И СРЕД 11
1.1. Кристаллография оксида алюминия и диоксида циркония: структурно-фазовые
состояния и механические свойства 11
1.2. Особенности нанокристаллических состояний оксидных систем 23
1.3. Влияние внешних физических полей и сред на структуру и свойства оксидов . 27
1.4. Методы моделирования и модели микроструктур оксидных керамических
материалов 39
1.5. Постановка цели и задач работы 42
ГЛАВА 2. ХАРАКТЕРИСТИКА ИСХОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ. МЕТОДЫ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И МОДЕЛИРОВАНИЕ
КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СТРУКТУР 45
2.1 Характеристика исходных материалов 45
2.1.1 Характеристики исходных порошков Al2O3 и ZrO2 45
2.1.2 Характеристики порошка ВК-95 50
2.2 Методы и методики исследований свойств и структуры оксидных
порошковых материалов 51
2.2.1 Измерение физико-механических характеристик 52
2.2.2 Методы рентгеновской дифракции 53
2.2.3 Сканирующая электронная и оптическая микроскопия 54
2.2.4 Дифференциальный термический анализ 55
2.2.5 Измерение электрофизических характеристик 58
2.3 Методы математического моделирования многоуровневой кристаллической
структуры и кристаллических фаз оксидных керамических материалов 59
2.3.1 Кристаллогеометрический подход к моделированию оксидных
кристаллических структур 60
2.4 Экспериментальные методы исследования 63
2.4.1 Установка для спекания кристаллических материалов в постоянном
магнитном поле 63
2.4.2 Методика подготовки образцов 65
2.5 Структурно-методологическая схема диссертационного исследования 66
2.6 Выводы по Главе 2 68
ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ СТРУКТУР КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ФАЗ
ОКСИДОВ Al2O3, ZrO2 В РИМАНОВОЙ МОДЕЛИ СПЛОШНОЙ СРЕДЫ 70
3.1 Замкнутая многоуровневая модель организации структуры кристалла 70
3.1.1 Особенности замкнутой многоуровневой модели организации структуры
кристалла 73
3.1.2 Визуализация модельных построений с использованием ^-интерпретации ... 75
3.2 Моделирование организации решетчатых систем основных
кристаллографических классов 77
3.2.1 F-алгоритм построения точечных систем 77
3.2.2 Моделирование роста кристалла из одного и нескольких центров
кристаллизации 82
3.3 Моделирование электростатических полей ионов микроструктур кристаллических веществ и методика расчета электростатических характеристик 90
3.4 Моделирование кристаллических структур Al2O3, ZrO2 100
3.4.1 Методика сборки кристаллической структуры оксидных материалов 101
3.4.2 Компьютерное моделирование микроструктур Al2O3 102
3.4.3 Расчет критических размеров микроструктур Al2O3 104
3.5 Применение результатов моделирования кристаллических структур
оксидных материалов для формирования физического воздействия симметричным постоянным магнитным полем 106
3.6 Выводы по Главе 3 108
ГЛАВА 4. СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ОКСИДНЫХ СИСТЕМ
Al2O3 И ZrO2 ПРИ СПЕКАНИИ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ СИММЕТРИЧНОГО
ПОСТОЯННОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ 110
4.1 Экспериментальные исследования спекания оксидных систем
Al2O3, ZrO2 под воздействием симметричного постоянного магнитного поля 110
4.2 Структурно-фазовые изменения оксидных систем при спекании под
воздействием симметричного постоянного магнитного поля 113
4.2.1 Исследование физико-механических свойств оксидов 113
4.2.2 Исследование электрофизических свойств оксидов 130
4.2.3 Исследование ИК-спектров кристаллических фаз оксидов 136
4.3 Особенности влияния симметричного постоянного магнитного поля на
морфологию алюмооксидных керамических материалов 142
4.4 Выводы по Главе 4 147
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 150
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 152
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 154
ПРИЛОЖЕНИЕ 173
ГЛАВА 1. МОДЕЛИ СТРУКТУР ОКСИДНЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
И ДИНАМИЧЕСКИЕ ИЗМЕНЕНИЯ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ ПОД
ДЕЙСТВИЕМ ВНЕШНИХ ФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ И СРЕД 11
1.1. Кристаллография оксида алюминия и диоксида циркония: структурно-фазовые
состояния и механические свойства 11
1.2. Особенности нанокристаллических состояний оксидных систем 23
1.3. Влияние внешних физических полей и сред на структуру и свойства оксидов . 27
1.4. Методы моделирования и модели микроструктур оксидных керамических
материалов 39
1.5. Постановка цели и задач работы 42
ГЛАВА 2. ХАРАКТЕРИСТИКА ИСХОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ. МЕТОДЫ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И МОДЕЛИРОВАНИЕ
КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СТРУКТУР 45
2.1 Характеристика исходных материалов 45
2.1.1 Характеристики исходных порошков Al2O3 и ZrO2 45
2.1.2 Характеристики порошка ВК-95 50
2.2 Методы и методики исследований свойств и структуры оксидных
порошковых материалов 51
2.2.1 Измерение физико-механических характеристик 52
2.2.2 Методы рентгеновской дифракции 53
2.2.3 Сканирующая электронная и оптическая микроскопия 54
2.2.4 Дифференциальный термический анализ 55
2.2.5 Измерение электрофизических характеристик 58
2.3 Методы математического моделирования многоуровневой кристаллической
структуры и кристаллических фаз оксидных керамических материалов 59
2.3.1 Кристаллогеометрический подход к моделированию оксидных
кристаллических структур 60
2.4 Экспериментальные методы исследования 63
2.4.1 Установка для спекания кристаллических материалов в постоянном
магнитном поле 63
2.4.2 Методика подготовки образцов 65
2.5 Структурно-методологическая схема диссертационного исследования 66
2.6 Выводы по Главе 2 68
ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ СТРУКТУР КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ФАЗ
ОКСИДОВ Al2O3, ZrO2 В РИМАНОВОЙ МОДЕЛИ СПЛОШНОЙ СРЕДЫ 70
3.1 Замкнутая многоуровневая модель организации структуры кристалла 70
3.1.1 Особенности замкнутой многоуровневой модели организации структуры
кристалла 73
3.1.2 Визуализация модельных построений с использованием ^-интерпретации ... 75
3.2 Моделирование организации решетчатых систем основных
кристаллографических классов 77
3.2.1 F-алгоритм построения точечных систем 77
3.2.2 Моделирование роста кристалла из одного и нескольких центров
кристаллизации 82
3.3 Моделирование электростатических полей ионов микроструктур кристаллических веществ и методика расчета электростатических характеристик 90
3.4 Моделирование кристаллических структур Al2O3, ZrO2 100
3.4.1 Методика сборки кристаллической структуры оксидных материалов 101
3.4.2 Компьютерное моделирование микроструктур Al2O3 102
3.4.3 Расчет критических размеров микроструктур Al2O3 104
3.5 Применение результатов моделирования кристаллических структур
оксидных материалов для формирования физического воздействия симметричным постоянным магнитным полем 106
3.6 Выводы по Главе 3 108
ГЛАВА 4. СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ОКСИДНЫХ СИСТЕМ
Al2O3 И ZrO2 ПРИ СПЕКАНИИ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ СИММЕТРИЧНОГО
ПОСТОЯННОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ 110
4.1 Экспериментальные исследования спекания оксидных систем
Al2O3, ZrO2 под воздействием симметричного постоянного магнитного поля 110
4.2 Структурно-фазовые изменения оксидных систем при спекании под
воздействием симметричного постоянного магнитного поля 113
4.2.1 Исследование физико-механических свойств оксидов 113
4.2.2 Исследование электрофизических свойств оксидов 130
4.2.3 Исследование ИК-спектров кристаллических фаз оксидов 136
4.3 Особенности влияния симметричного постоянного магнитного поля на
морфологию алюмооксидных керамических материалов 142
4.4 Выводы по Главе 4 147
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 150
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 152
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 154
ПРИЛОЖЕНИЕ 173
📖 Введение
Актуальность работы. Алюмооксидные и циркониевые оксидные керамические материалы находят широкое применение в различных областях науки и техники благодаря уникальному сочетанию высоких показателей таких свойств, как огнеупорность, механическая прочность, химическая стойкость, диэлектрические и оптические характеристики. Однако для распространенных в отечественной промышленности способов получения оксидных материалов необходима высокая температура спекания, которая для различных типов оксида Al 2O3 и ZrO2 составляет более 1500 °C. Для активации процессов спекания оксидных материалов в настоящее время используется множество различных способов: механохи- мический, введение в состав спекающих добавок с появлением эвтектического сплава, обработка и предобработка в различных внешних физических полях (в микроволновом поле, ультразвуке, постоянных электрических и магнитных полях), а также обработка с использованием излучений различной природы (а-,у-, лазерное, и др.).
Поиск новых технологических приемов для активации спекания и улучшения свойств оксидной керамики требует детального исследования фундаментальных закономерностей формирования физико-механических характеристик и разработки моделей структур оксидных материалов на различных мезо- и макромасштабных уровнях. Актуальным является исследование влияния магнитного поля на процессы спекания и формирования кристаллических структур полиморфного состава алюмооксидных керамических материалов. Направленные изменения энергетических состояний кристаллических микроструктур (магнитное упорядочение, дефектная структура) в оксидных материалах, формируемые под действием постоянного магнитного поля, и термодинамический переход при магнитной активации способствуют эволюции упруго-пластической деформации материала, формированию полей механических напряжений и форм микроструктур и тем самым определяют режим управления процессом спекания и релаксации микроструктур.
Работа выполнялась при финансовой поддержке: Минобрнауки Российской Федерации (соглашение № 14.575.21.0139, идентификатор RFMEFI57517X0139) и Российского научного фонда (грант № 17-19-01082).
Степень разработанности темы
Термомагнитный метод спекания кристаллических материалов в постоянном магнитном поле показал свои уникальные возможности при спекании и обжиге некоторых диэлектриков (алмаз, топаз, полудрагоценные минералы), интерметалидов Al2-xFe, а также при обогащении минерального сырья.
Существенный вклад в изучении механизмов формирования и модификации микроструктур диэлектриков (немагнитных кристаллов) под действием внешних электрических и магнитных полей внесли: С.В. Вонсовский, А.И. Ахиезер, Н.П. Лякишев, Е.В. Туров, Г.И. Дистлер, В.И. Альшиц, Е.В. Даринская, В.И. Громов, П.А. Чернавский, В.М. Финкель и другие ученые. Электрические и магнитные переходы в нанокластерах и наноструктурах исследовались: Суздалевым И.П., Бу- равцевым В.Н., Френкелем Я.И. и др.
На основе вычислительного моделирования физико-химических свойств и форм нано-, микрокристаллов оксидной керамики рассчитаны оптимальные размеры микроструктур и технические требования к установке для спекания. В работах Руднева С.В., Семухина Б.С., Сергеева А.Н., и др. разработан геометрический подход к интерпретации кристаллографических групп для физических процессов и явлений протекающих при термическом и магнитном воздействии на кристаллические структуры диэлектрика. На сегодняшний день не обнаружено работ по изучению влияния постоянного магнитного поля на физические свойства оксидов алюминия и циркония при спекании компактированных порошков промышленных марок или близких по составу к промышленным.
Объект исследования - структурно-фазовые состояния спекаемых компактированных порошков оксида алюминия и диоксида циркония.
Предмет исследования - физические процессы формирования полиморфного состава и структуры оксидов алюминия и циркония в постоянном магнитном поле при термической обработке компактированных порошков.
Цель работы: определение закономерностей формирования структуры кристаллических фаз в оксидах алюминия и циркония в постоянном магнитном поле при спекании компактированных порошков.
Для достижения указанной цели решались следующие задачи:
1. Разработка феноменологической модели формирования структуры реальных кристаллов оксидов алюминия и циркония на основе кристаллогеометрического подхода к решётчатым структурам.
2. Разработка алгоритма и компьютерной программы для моделирования микроструктур Al2O3 и ZrO2, а также выбора эффективных методик и режимов термомагнитного спекания оксидных материалов с целью улучшения их структурных характеристик (с целью управления их структурно-фазовым состоянием).
3. Построение физической модели процессов, протекающих в оксидных компактированных порошках при спекании 1200-1400 °C в постоянном магнитном поле.
4. Экспериментальные исследования термомагнитного эффекта воздействия внешнего постоянного магнитного поля на процессы преобразования кристаллических фаз и структурной релаксации, а также выявление особенностей процессов фазо- и структурообразования, протекающих при формировании микроструктур.
5. Разработка технологических основ спекания пористых компактированных порошков на основе оксидов (Al2O3, ZrO2) в постоянном магнитном поле.
Научная новизна работы
1. Предложена феноменологическая модель организации наноструктурных систем Al2O3 и основных видов примесей, участвующих в формировании кристаллических подрешеток а-, р-, 0- и y-Al2O3 на основе риманова представления
3+ 4+ /~2- 2+ 2+ 3+
(способа описания) электростатических полей ионов А1 , Zr , O , Ca , Fe , Fe и Mg2+ для случая парных взаимодействий ионов с учетом распределения заряда на поверхности.
2. Впервые установлено, что воздействие кристаллографически симметри- зованным постоянным магнитным полем B=0,02-1 Тл, в оксиде алюминия при спекании 7=1200 °C, повышает содержание фазы a-Al2O3 при пониженной температуре обработки и приводит к направленным преобразованиям кристаллической структуры в сторону повышения на 25% прочности образцов.
3. Установлено, что в процессе спекания в постоянном магнитном поле происходит частичное упорядочивание микроструктур оксидов алюминия и циркония (структурных единиц, блоков) за счет направленного действия собственного кристаллического поля, а также ориентационного воздействия, оказываемого постоянным магнитным полем, и последующей перекристаллизацией исходной структуры. Особенности упорядочения микроструктур определяются типом соответствия группы симметрии кристаллического поля и кристаллографической группы симметрии микрокристаллических структур.
Теоретическая значимость работы
Определены закономерности формирования кристаллических структур Al2O3, ZrO2 под действием постоянного магнитного поля при спекании компакти- рованных порошков. Разработаны физические модели нано-, микроструктур оксида алюминия и диоксида циркония на основе римановых представлений сплошной среды с положительной метрикой.
Практическая значимость
Полученные в работе результаты, имеют важное практическое значение для технологии и материаловедения диэлектриков, вакуумной техники и в производстве конденсаторной и огнеупорной керамики. Практическая значимость заключается в следующем:
1. Разработана микроструктурная модель формирования наносистем Al2O3 и пакет компьютерных программ «rOrystal 1.0», обеспечивающий расчеты электростатических полей ионов в римановом представлении (эллиптическая геометрия Римана V3, K=1). Получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2011611307.
2. Разработаны физические приемы технологии спекания оксидных материалов в постоянном магнитном поле B=0,02-1 Тл c заданной симметрией С3 на примере оксидов алюминия и циркония.
3. Разработаны технологические рекомендации по формированию и модификации кристаллических структур Al2O3 при спекании в постоянном магнитном поле, что позволило снизить температуру обработки сырья на 150 °C. Рассчитаны параметры внешнего магнитного поля (B, симметрия) в установке для обжига корунда на основе моделирования геометрических параметров микроструктур Al2O3. Разработан технологический регламент для термической обработки в постоянном магнитном поле оксидов алюминия и циркония.
Методология работы
Методология работы включает предварительное моделирование кристаллических решеток оксида алюминия и диоксида циркония, их микроструктур, моделирование электростатических полей ионов. Формирование кристаллических фаз осуществлялось методом спекания в постоянном симметричном магнитном поле на специальной созданной установке.
Методы исследования
Для изучения процессов спекания оксидных керамических материалов в постоянном магнитном поле использовались физико-математические модели кристаллических решеток оксида алюминия и диоксида циркония, их микроструктур, а также экспериментальные исследования физико-механических свойств: рентгеновская дифракция, сканирующая электронная микроскопия, оптическая микроскопия и термогравиметрический анализ. Были исследованы функциональные свойства полученных образцов: прочность, микротвёрдость, кристаллографических параметры, электрофизические характеристики. Все измерения выполнены в сертификационных центрах на современном оборудовании, внесенном в Государственный реестр измерительных приборов.
Положения выносимые на защиту
1. Структурная физическая модель формирования наносистем Al2O3 и ZrO2 компактированных порошков, описывающая способы организации и упорядочения ионных систем и полученная на основе компьютерного моделирования рима- новых моделей электростатических полей ионов.
2. Механизм магнитного упорядочивания микроструктур Al2O3 и ZrO2 при спекании в постоянном магнитном поле включающий направленное действие собственного кристаллического поля, а также ориентационное воздействие, оказываемого внешним постоянным магнитным полем. Особенности упорядочения микроструктур определяются типом соответствия группы симметрии кристаллического поля и кристаллографической группы симметрии микрокристаллических структур.
3. Структурно-фазовые изменения, обуславливающие изменения физикомеханических характеристик (микротвёрдости, плотности, прочности) материалов в условиях термомагнитного спекания оксидов алюминия и циркония до 1400 °C (В=0,02-1 Тл, Fp= С3, t = 12-72 часов), способствуют совершенствованию кристаллических микроструктур и улучшению их механических свойств.
Достоверность полученных результатов обеспечена строгим математическим обоснованием предлагаемых методик моделирования на ЭВМ оксидных структур и совокупностью теоретических и экспериментальных результатов, полученных с привлечением современной экспериментальной техники, а так же согласием защищаемых научных положений с фундаментальными представлениями современной физики и химии твердого тела.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на II и Ш Международных научно-технических конференциях молодых ученых, аспирантов и студентов «Высокие технологии в современной науке и технике» ВТСНТ (Томск, 2014, 2013 г.), German-Russian forum nanotechnology (Tomsk, Russia, 2013 г.), на 2dn International scientific conference European science and technology (Wiesbaden, Germany, 2012 г.), IV и VII Международной научнопрактической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2007 г., 2012 г.), Федоровских сессиях (Санкт-Петербург, 2012 г.), VI Всероссийской научно-практической конференции «Керамические материалы: производство и применение» (Великий Устюг, 2007 г.), XII и XIII Международных научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2008 г.).
Личный вклад автора состоит в участии в постановке задач, решаемых в диссертационной работе и в разработке методики спекания оксидных компак- тированных порошков с использованием постоянного магнитного поля. Автором проведено моделирование кристаллических микроструктур на ЭВМ, а также обработка и интерпретация экспериментальных данных. Результаты, изложенные в диссертационной работе, получены лично автором или при его непосредственном участии.
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 28 печатных работ, включая 10 статей в рецензированных научных журналах, рекомендованных ВАК РФ и 6 статьей в международных журналах из базы SCOPUS, получен один патент РФ и одно свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ.
Поиск новых технологических приемов для активации спекания и улучшения свойств оксидной керамики требует детального исследования фундаментальных закономерностей формирования физико-механических характеристик и разработки моделей структур оксидных материалов на различных мезо- и макромасштабных уровнях. Актуальным является исследование влияния магнитного поля на процессы спекания и формирования кристаллических структур полиморфного состава алюмооксидных керамических материалов. Направленные изменения энергетических состояний кристаллических микроструктур (магнитное упорядочение, дефектная структура) в оксидных материалах, формируемые под действием постоянного магнитного поля, и термодинамический переход при магнитной активации способствуют эволюции упруго-пластической деформации материала, формированию полей механических напряжений и форм микроструктур и тем самым определяют режим управления процессом спекания и релаксации микроструктур.
Работа выполнялась при финансовой поддержке: Минобрнауки Российской Федерации (соглашение № 14.575.21.0139, идентификатор RFMEFI57517X0139) и Российского научного фонда (грант № 17-19-01082).
Степень разработанности темы
Термомагнитный метод спекания кристаллических материалов в постоянном магнитном поле показал свои уникальные возможности при спекании и обжиге некоторых диэлектриков (алмаз, топаз, полудрагоценные минералы), интерметалидов Al2-xFe, а также при обогащении минерального сырья.
Существенный вклад в изучении механизмов формирования и модификации микроструктур диэлектриков (немагнитных кристаллов) под действием внешних электрических и магнитных полей внесли: С.В. Вонсовский, А.И. Ахиезер, Н.П. Лякишев, Е.В. Туров, Г.И. Дистлер, В.И. Альшиц, Е.В. Даринская, В.И. Громов, П.А. Чернавский, В.М. Финкель и другие ученые. Электрические и магнитные переходы в нанокластерах и наноструктурах исследовались: Суздалевым И.П., Бу- равцевым В.Н., Френкелем Я.И. и др.
На основе вычислительного моделирования физико-химических свойств и форм нано-, микрокристаллов оксидной керамики рассчитаны оптимальные размеры микроструктур и технические требования к установке для спекания. В работах Руднева С.В., Семухина Б.С., Сергеева А.Н., и др. разработан геометрический подход к интерпретации кристаллографических групп для физических процессов и явлений протекающих при термическом и магнитном воздействии на кристаллические структуры диэлектрика. На сегодняшний день не обнаружено работ по изучению влияния постоянного магнитного поля на физические свойства оксидов алюминия и циркония при спекании компактированных порошков промышленных марок или близких по составу к промышленным.
Объект исследования - структурно-фазовые состояния спекаемых компактированных порошков оксида алюминия и диоксида циркония.
Предмет исследования - физические процессы формирования полиморфного состава и структуры оксидов алюминия и циркония в постоянном магнитном поле при термической обработке компактированных порошков.
Цель работы: определение закономерностей формирования структуры кристаллических фаз в оксидах алюминия и циркония в постоянном магнитном поле при спекании компактированных порошков.
Для достижения указанной цели решались следующие задачи:
1. Разработка феноменологической модели формирования структуры реальных кристаллов оксидов алюминия и циркония на основе кристаллогеометрического подхода к решётчатым структурам.
2. Разработка алгоритма и компьютерной программы для моделирования микроструктур Al2O3 и ZrO2, а также выбора эффективных методик и режимов термомагнитного спекания оксидных материалов с целью улучшения их структурных характеристик (с целью управления их структурно-фазовым состоянием).
3. Построение физической модели процессов, протекающих в оксидных компактированных порошках при спекании 1200-1400 °C в постоянном магнитном поле.
4. Экспериментальные исследования термомагнитного эффекта воздействия внешнего постоянного магнитного поля на процессы преобразования кристаллических фаз и структурной релаксации, а также выявление особенностей процессов фазо- и структурообразования, протекающих при формировании микроструктур.
5. Разработка технологических основ спекания пористых компактированных порошков на основе оксидов (Al2O3, ZrO2) в постоянном магнитном поле.
Научная новизна работы
1. Предложена феноменологическая модель организации наноструктурных систем Al2O3 и основных видов примесей, участвующих в формировании кристаллических подрешеток а-, р-, 0- и y-Al2O3 на основе риманова представления
3+ 4+ /~2- 2+ 2+ 3+
(способа описания) электростатических полей ионов А1 , Zr , O , Ca , Fe , Fe и Mg2+ для случая парных взаимодействий ионов с учетом распределения заряда на поверхности.
2. Впервые установлено, что воздействие кристаллографически симметри- зованным постоянным магнитным полем B=0,02-1 Тл, в оксиде алюминия при спекании 7=1200 °C, повышает содержание фазы a-Al2O3 при пониженной температуре обработки и приводит к направленным преобразованиям кристаллической структуры в сторону повышения на 25% прочности образцов.
3. Установлено, что в процессе спекания в постоянном магнитном поле происходит частичное упорядочивание микроструктур оксидов алюминия и циркония (структурных единиц, блоков) за счет направленного действия собственного кристаллического поля, а также ориентационного воздействия, оказываемого постоянным магнитным полем, и последующей перекристаллизацией исходной структуры. Особенности упорядочения микроструктур определяются типом соответствия группы симметрии кристаллического поля и кристаллографической группы симметрии микрокристаллических структур.
Теоретическая значимость работы
Определены закономерности формирования кристаллических структур Al2O3, ZrO2 под действием постоянного магнитного поля при спекании компакти- рованных порошков. Разработаны физические модели нано-, микроструктур оксида алюминия и диоксида циркония на основе римановых представлений сплошной среды с положительной метрикой.
Практическая значимость
Полученные в работе результаты, имеют важное практическое значение для технологии и материаловедения диэлектриков, вакуумной техники и в производстве конденсаторной и огнеупорной керамики. Практическая значимость заключается в следующем:
1. Разработана микроструктурная модель формирования наносистем Al2O3 и пакет компьютерных программ «rOrystal 1.0», обеспечивающий расчеты электростатических полей ионов в римановом представлении (эллиптическая геометрия Римана V3, K=1). Получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2011611307.
2. Разработаны физические приемы технологии спекания оксидных материалов в постоянном магнитном поле B=0,02-1 Тл c заданной симметрией С3 на примере оксидов алюминия и циркония.
3. Разработаны технологические рекомендации по формированию и модификации кристаллических структур Al2O3 при спекании в постоянном магнитном поле, что позволило снизить температуру обработки сырья на 150 °C. Рассчитаны параметры внешнего магнитного поля (B, симметрия) в установке для обжига корунда на основе моделирования геометрических параметров микроструктур Al2O3. Разработан технологический регламент для термической обработки в постоянном магнитном поле оксидов алюминия и циркония.
Методология работы
Методология работы включает предварительное моделирование кристаллических решеток оксида алюминия и диоксида циркония, их микроструктур, моделирование электростатических полей ионов. Формирование кристаллических фаз осуществлялось методом спекания в постоянном симметричном магнитном поле на специальной созданной установке.
Методы исследования
Для изучения процессов спекания оксидных керамических материалов в постоянном магнитном поле использовались физико-математические модели кристаллических решеток оксида алюминия и диоксида циркония, их микроструктур, а также экспериментальные исследования физико-механических свойств: рентгеновская дифракция, сканирующая электронная микроскопия, оптическая микроскопия и термогравиметрический анализ. Были исследованы функциональные свойства полученных образцов: прочность, микротвёрдость, кристаллографических параметры, электрофизические характеристики. Все измерения выполнены в сертификационных центрах на современном оборудовании, внесенном в Государственный реестр измерительных приборов.
Положения выносимые на защиту
1. Структурная физическая модель формирования наносистем Al2O3 и ZrO2 компактированных порошков, описывающая способы организации и упорядочения ионных систем и полученная на основе компьютерного моделирования рима- новых моделей электростатических полей ионов.
2. Механизм магнитного упорядочивания микроструктур Al2O3 и ZrO2 при спекании в постоянном магнитном поле включающий направленное действие собственного кристаллического поля, а также ориентационное воздействие, оказываемого внешним постоянным магнитным полем. Особенности упорядочения микроструктур определяются типом соответствия группы симметрии кристаллического поля и кристаллографической группы симметрии микрокристаллических структур.
3. Структурно-фазовые изменения, обуславливающие изменения физикомеханических характеристик (микротвёрдости, плотности, прочности) материалов в условиях термомагнитного спекания оксидов алюминия и циркония до 1400 °C (В=0,02-1 Тл, Fp= С3, t = 12-72 часов), способствуют совершенствованию кристаллических микроструктур и улучшению их механических свойств.
Достоверность полученных результатов обеспечена строгим математическим обоснованием предлагаемых методик моделирования на ЭВМ оксидных структур и совокупностью теоретических и экспериментальных результатов, полученных с привлечением современной экспериментальной техники, а так же согласием защищаемых научных положений с фундаментальными представлениями современной физики и химии твердого тела.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на II и Ш Международных научно-технических конференциях молодых ученых, аспирантов и студентов «Высокие технологии в современной науке и технике» ВТСНТ (Томск, 2014, 2013 г.), German-Russian forum nanotechnology (Tomsk, Russia, 2013 г.), на 2dn International scientific conference European science and technology (Wiesbaden, Germany, 2012 г.), IV и VII Международной научнопрактической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2007 г., 2012 г.), Федоровских сессиях (Санкт-Петербург, 2012 г.), VI Всероссийской научно-практической конференции «Керамические материалы: производство и применение» (Великий Устюг, 2007 г.), XII и XIII Международных научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2008 г.).
Личный вклад автора состоит в участии в постановке задач, решаемых в диссертационной работе и в разработке методики спекания оксидных компак- тированных порошков с использованием постоянного магнитного поля. Автором проведено моделирование кристаллических микроструктур на ЭВМ, а также обработка и интерпретация экспериментальных данных. Результаты, изложенные в диссертационной работе, получены лично автором или при его непосредственном участии.
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 28 печатных работ, включая 10 статей в рецензированных научных журналах, рекомендованных ВАК РФ и 6 статьей в международных журналах из базы SCOPUS, получен один патент РФ и одно свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ.
✅ Заключение
1. Предложенная физическая модель формирования структуры наносистем Al2O3 позволила адекватно описать способы организации и упорядочивания ионных систем, формирование полей механических напряжений под действием постоянного магнитного поля. На основе конечно-разностной схемы дискретизации уравнений создан численный алгоритм и программное обеспечение, позволяющие исследовать организацию и формирование микроструктур оксида алюминия и циркония в соответствии с федоровской группой под действием постоянного магнитного поля.
2. Предложенная физическая структурная модель римановых электростатических полей ионов в случае парных взаимодействий с учетом распределения за-
3+ Г7*,4+ Z~2- Г^„2+ ТГ~2+ Т?~3+ ряда на поверхности для следующих элементов: А! , Zr , O , Са , Fe , Fe и
Mg2+ описывает замкнутый структурный характер электростатических полей для конечных объемов пространства.
3. Воздействие постоянным магнитным полем B=0,02-1 Тл с заданной симметрией С3 в процессе спекания оксида алюминия приводит к изменению размеров и морфологии микроструктур, понижению температуры образования a-Al2O3, изменению условий зарождения и роста микрокристаллов, частичному упорядочению микроструктур первичных кристаллов Al2O3 в соответствии с кристаллографической группой, что позволяет обеспечить управление процессом синтеза и кристаллизации микроструктур.
4. Кристаллические структуры, морфология и форма зерен ZrO2, полученные при спекании в постоянном магнитом поле при 1400 ОС, характеризуются более совершенными кристаллографическими формами, становятся более изомет- ричными, кроме того в среднем степень кристалличности повышается в 2,4 раза. Зависимость среднего размера зерен стабилизированной фазы ZrO2 от времени наложения постоянного магнитного поля при спекании имеет линейный характер. Формирование и стабилизация высокотемпературных фаз (высокотемпературных модификаций о*-, с-фазы) диоксида циркония в процессе спекания под действием магнитного поля связаны с направленными изменениями структурных характеристик (уменьшение микроискажений кристаллитов, степени однородности).
5. Спекание оксида алюминия в постоянном магнитном поле по сравнению с традиционной технологией позволяет повысить содержание кристаллической фазы a-Al2O3 и одновременно понизить температуру ее образования (на 150-200 °C). Оксид Al2O3, прошедший термомагнитную обработку, имеет пониженные уровни упругих напряжений, содержание примесей, дефектов и пор (на 10-15 %), более совершенную кристаллическую структуру, повышенную прочность (на 25%) в сравнении с образцами, полученными без наложения магнитного поля.
6. Предложенный физический способ получения оксидных керамических материалов обладает относительной простотой в реализации и является энергоэффективным. Оксиды Al2O3 и ZrO2, полученные путем спекания в постоянном магнитном поле B=0,02-1 Тл с симметрией С3, имеют повышенные физико-механические характеристики и более совершенные кристаллические формы микроструктур.
2. Предложенная физическая структурная модель римановых электростатических полей ионов в случае парных взаимодействий с учетом распределения за-
3+ Г7*,4+ Z~2- Г^„2+ ТГ~2+ Т?~3+ ряда на поверхности для следующих элементов: А! , Zr , O , Са , Fe , Fe и
Mg2+ описывает замкнутый структурный характер электростатических полей для конечных объемов пространства.
3. Воздействие постоянным магнитным полем B=0,02-1 Тл с заданной симметрией С3 в процессе спекания оксида алюминия приводит к изменению размеров и морфологии микроструктур, понижению температуры образования a-Al2O3, изменению условий зарождения и роста микрокристаллов, частичному упорядочению микроструктур первичных кристаллов Al2O3 в соответствии с кристаллографической группой, что позволяет обеспечить управление процессом синтеза и кристаллизации микроструктур.
4. Кристаллические структуры, морфология и форма зерен ZrO2, полученные при спекании в постоянном магнитом поле при 1400 ОС, характеризуются более совершенными кристаллографическими формами, становятся более изомет- ричными, кроме того в среднем степень кристалличности повышается в 2,4 раза. Зависимость среднего размера зерен стабилизированной фазы ZrO2 от времени наложения постоянного магнитного поля при спекании имеет линейный характер. Формирование и стабилизация высокотемпературных фаз (высокотемпературных модификаций о*-, с-фазы) диоксида циркония в процессе спекания под действием магнитного поля связаны с направленными изменениями структурных характеристик (уменьшение микроискажений кристаллитов, степени однородности).
5. Спекание оксида алюминия в постоянном магнитном поле по сравнению с традиционной технологией позволяет повысить содержание кристаллической фазы a-Al2O3 и одновременно понизить температуру ее образования (на 150-200 °C). Оксид Al2O3, прошедший термомагнитную обработку, имеет пониженные уровни упругих напряжений, содержание примесей, дефектов и пор (на 10-15 %), более совершенную кристаллическую структуру, повышенную прочность (на 25%) в сравнении с образцами, полученными без наложения магнитного поля.
6. Предложенный физический способ получения оксидных керамических материалов обладает относительной простотой в реализации и является энергоэффективным. Оксиды Al2O3 и ZrO2, полученные путем спекания в постоянном магнитном поле B=0,02-1 Тл с симметрией С3, имеют повышенные физико-механические характеристики и более совершенные кристаллические формы микроструктур.
ИЛИ
Поиск аналога
📕 Список литературы
🖼 Скриншоты
🛒 Оформить заказ
⚡ Работу высылаем в течении 5 минут после оплаты.