Помощь студентам в учебе
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ОПТИЧЕСКИ ПРОЗРАЧНЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ДИОКСИДА ЦИРКОНИЯ И ОКСИДНЫХ СОЕДИНЕНИЙ АЛЮМИНИЯ МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНОГО ПЛАЗМЕННОГО СПЕКАНИЯ
|
ВВЕДЕНИЕ 6
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКИ ПРОЗРАЧНЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ
МАТЕРИАЛОВ 15
1.1. Составы и свойства оптически прозрачных керамических материалов .... 19
1.1.1. Физико-химические свойства иттрий-стабилизированного диоксида
циркония (YSZ) 19
1.1.2. Физико-химические свойства алюмомагниевой шпинели MgAl2O4
(АМШ) 24
1.1.3. Физико-химические свойства иттрий-алюминиевого граната Y3Al5O12
(YAG) 26
1.2. Современные технологии изготовления оптически прозрачных
керамических материалов 28
1.2.1 Технология изготовления керамики на основе иттрий-
стабилизированного диоксида циркония 31
1.2.2 Технология изготовления керамики на основе алюмомагниевой шпинели
36
1.2.3 Технология изготовления керамики на основе иттрий-алюминиевого
граната 40
1.3 Постановка цели и задач исследований 45
2. ХАРАКТЕРИСТИКА ИСХОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ, МЕТОДЫ
ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ, МЕТОДОЛОГИЯ РАБОТЫ 49
2.1 Характеристика исходных материалов 51
2.1.1. Нанодисперсный иттрий-стабилизированный диоксид циркония TZ-
10YS 51
2.1.2. Нанодисперсная алюмомагниевая шпинель S30CR 53
2.1.3. Микродисперсный прекурсор иттрий-алюминиевого граната 54
2.1.4. Микродисперсные оксиды редкоземельных элементов 56
2.2. Методы исследования и методики определения свойств 57
2.2.1 Гранулометрический анализ 57
2.2.2. Анализ удельной поверхности 57
2.2.3. Рентгенофазовый анализ 58
2.2.4. Анализ морфологии и элементного состава 59
2.2.5. Определение реологических свойств 60
2.2.6. Дилатометрический анализ 61
2.2.7. Определение плотности образцов 62
2.2.8. Определение физико-механических и оптических свойств образцов .... 63
2.3. Методы изготовления оптически прозрачных керамических материалов ... 64
2.3.1. Компактирование исходных порошков 64
2.3.2. Свободное спекание образцов 65
2.3.3. Электроимпульсное плазменное спекание (ЭИПС) 66
2.4. Методология диссертационного исследования 68
3. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ СВЕТОПРОПУСКАЮЩЕЙ КЕРАМИКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТРАДИЦИОННЫХ МЕТОДОВ КОНСОЛИДАЦИИ 70
3.1. Исследование параметров компактирования дисперсных компонентов для
изготовления оптически прозрачных керамических материалов 70
3.2. Физико-химические процессы уплотнения и формирования структуры при
традиционном спекании светопропускающей керамики 74
3.3. Спекание светопропускающей керамики 77
3.3.1. Светопропускающая керамика на основе иттрий-стабилизированного
диоксида циркония 78
3.3.2. Светопропускающая керамика на основе алюмомагниевой шпинели . 81
3.3.3. Светопропускающая керамика на основе иттрий-алюминиевого
граната 82
Выводы по главе 3 85
4. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ОПТИЧЕСКИ ПРОЗРАЧНОЙ КЕРАМИКИ С
ПРИМЕНЕНИЕМ ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНОГО ПЛАЗМЕННОГО СПЕКАНИЯ . 87
4.1. Исследование реологических свойств порошков оксидных соединений в процессе электроимпульсного плазменного спекания 87
4.2. Процессы электроимпульсного плазменного спекания прозрачной керамики
на основе иттрий-стабилизированного диоксида циркония 91
4.2.1 Влияние режимов электроимпульсного плазменного спекания на микроструктуру, физико-механические и оптические свойства прозрачной керамики на основе иттрий-стабилизированного диоксида циркония 95
4.2.2. Термический отжиг прозрачной керамики на основе иттрий-
стабилизированного диоксида циркония 103
4.2.3. Влияние активатора оксида европия на микроструктуру и свойства
прозрачной керамики на основе иттрий-стабилизированного диоксида циркония 107
4.3. Процессы электроимпульсного плазменного спекания прозрачной керамики
на основе алюмомагниевой шпинели 112
4.3.1. Влияние режимов электроимпульсного плазменного спекания на
микроструктуру, физико-механические и оптические свойства прозрачной керамики на основе алюмомагниевой шпинели 114
4.3.2. Влияние активатора оксида церия на микроструктуру и свойства
прозрачной керамики на основе алюмомагниевой шпинели 120
4.3.3. Влияние активатора оксида тербия на микроструктуру свойства
прозрачной керамики на основе алюмомагниевой шпинели 124
4.4. Процессы электроимпульсного плазменного спекания прозрачной керамики
на основе иттрий-алюминиевого граната 128
4.5. Физико-химические процессы уплотнения и формирования структуры при
электроимпульсном плазменном спекании прозрачной керамики 134
4.5.1. Физико-химические процессы уплотнения и формирования структуры
керамики на основе иттрий-стабилизированного диоксида циркония 137
4.5.2. Физико-химические процессы уплотнения и формирования структуры
керамики на основе алюмомагниевой шпинели 141
4.5.3. Физико-химические процессы уплотнения и формирования структуры
керамики на основе иттрий-алюминиевого граната 146
Выводы по главе 4 149
5. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНОГО ПЛАЗМЕННОГО СПЕКАНИЯ ОПТИЧЕСКИ ПРОЗРАЧНОЙ КЕРАМИКИ С ПРИМЕНЕНИЕМ КОЛЛЕКТОРНОЙ СХЕМЫ ПРЕССОВАНИЯ 152
5.1 Влияние коллекторной схемы прессования в процессе электроимпульсного
плазменного спекания на микроструктуру и свойства прозрачной керамики на основе иттрий-стабилизированного диоксида циркония 154
5.2 Влияние коллекторной схемы прессования в процессе электроимпульсного
плазменного спекания на микроструктуру и свойства прозрачной керамики на основе алюмомагниевой шпинели 159
5.3 Влияние коллекторной схемы прессования в процессе электроимпульсного плазменного спекания на микроструктуру и свойства прозрачной керамики на
основе иттрий-алюминиевого граната, активированного церием 164
Выводы по главе 5 168
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 169
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 172
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 176
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 177
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 - ПРОТОКОЛЫ РЕГИСТРАЦИИ НОУ-ХАУ 201
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКИ ПРОЗРАЧНЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ
МАТЕРИАЛОВ 15
1.1. Составы и свойства оптически прозрачных керамических материалов .... 19
1.1.1. Физико-химические свойства иттрий-стабилизированного диоксида
циркония (YSZ) 19
1.1.2. Физико-химические свойства алюмомагниевой шпинели MgAl2O4
(АМШ) 24
1.1.3. Физико-химические свойства иттрий-алюминиевого граната Y3Al5O12
(YAG) 26
1.2. Современные технологии изготовления оптически прозрачных
керамических материалов 28
1.2.1 Технология изготовления керамики на основе иттрий-
стабилизированного диоксида циркония 31
1.2.2 Технология изготовления керамики на основе алюмомагниевой шпинели
36
1.2.3 Технология изготовления керамики на основе иттрий-алюминиевого
граната 40
1.3 Постановка цели и задач исследований 45
2. ХАРАКТЕРИСТИКА ИСХОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ, МЕТОДЫ
ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ, МЕТОДОЛОГИЯ РАБОТЫ 49
2.1 Характеристика исходных материалов 51
2.1.1. Нанодисперсный иттрий-стабилизированный диоксид циркония TZ-
10YS 51
2.1.2. Нанодисперсная алюмомагниевая шпинель S30CR 53
2.1.3. Микродисперсный прекурсор иттрий-алюминиевого граната 54
2.1.4. Микродисперсные оксиды редкоземельных элементов 56
2.2. Методы исследования и методики определения свойств 57
2.2.1 Гранулометрический анализ 57
2.2.2. Анализ удельной поверхности 57
2.2.3. Рентгенофазовый анализ 58
2.2.4. Анализ морфологии и элементного состава 59
2.2.5. Определение реологических свойств 60
2.2.6. Дилатометрический анализ 61
2.2.7. Определение плотности образцов 62
2.2.8. Определение физико-механических и оптических свойств образцов .... 63
2.3. Методы изготовления оптически прозрачных керамических материалов ... 64
2.3.1. Компактирование исходных порошков 64
2.3.2. Свободное спекание образцов 65
2.3.3. Электроимпульсное плазменное спекание (ЭИПС) 66
2.4. Методология диссертационного исследования 68
3. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ СВЕТОПРОПУСКАЮЩЕЙ КЕРАМИКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТРАДИЦИОННЫХ МЕТОДОВ КОНСОЛИДАЦИИ 70
3.1. Исследование параметров компактирования дисперсных компонентов для
изготовления оптически прозрачных керамических материалов 70
3.2. Физико-химические процессы уплотнения и формирования структуры при
традиционном спекании светопропускающей керамики 74
3.3. Спекание светопропускающей керамики 77
3.3.1. Светопропускающая керамика на основе иттрий-стабилизированного
диоксида циркония 78
3.3.2. Светопропускающая керамика на основе алюмомагниевой шпинели . 81
3.3.3. Светопропускающая керамика на основе иттрий-алюминиевого
граната 82
Выводы по главе 3 85
4. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ОПТИЧЕСКИ ПРОЗРАЧНОЙ КЕРАМИКИ С
ПРИМЕНЕНИЕМ ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНОГО ПЛАЗМЕННОГО СПЕКАНИЯ . 87
4.1. Исследование реологических свойств порошков оксидных соединений в процессе электроимпульсного плазменного спекания 87
4.2. Процессы электроимпульсного плазменного спекания прозрачной керамики
на основе иттрий-стабилизированного диоксида циркония 91
4.2.1 Влияние режимов электроимпульсного плазменного спекания на микроструктуру, физико-механические и оптические свойства прозрачной керамики на основе иттрий-стабилизированного диоксида циркония 95
4.2.2. Термический отжиг прозрачной керамики на основе иттрий-
стабилизированного диоксида циркония 103
4.2.3. Влияние активатора оксида европия на микроструктуру и свойства
прозрачной керамики на основе иттрий-стабилизированного диоксида циркония 107
4.3. Процессы электроимпульсного плазменного спекания прозрачной керамики
на основе алюмомагниевой шпинели 112
4.3.1. Влияние режимов электроимпульсного плазменного спекания на
микроструктуру, физико-механические и оптические свойства прозрачной керамики на основе алюмомагниевой шпинели 114
4.3.2. Влияние активатора оксида церия на микроструктуру и свойства
прозрачной керамики на основе алюмомагниевой шпинели 120
4.3.3. Влияние активатора оксида тербия на микроструктуру свойства
прозрачной керамики на основе алюмомагниевой шпинели 124
4.4. Процессы электроимпульсного плазменного спекания прозрачной керамики
на основе иттрий-алюминиевого граната 128
4.5. Физико-химические процессы уплотнения и формирования структуры при
электроимпульсном плазменном спекании прозрачной керамики 134
4.5.1. Физико-химические процессы уплотнения и формирования структуры
керамики на основе иттрий-стабилизированного диоксида циркония 137
4.5.2. Физико-химические процессы уплотнения и формирования структуры
керамики на основе алюмомагниевой шпинели 141
4.5.3. Физико-химические процессы уплотнения и формирования структуры
керамики на основе иттрий-алюминиевого граната 146
Выводы по главе 4 149
5. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНОГО ПЛАЗМЕННОГО СПЕКАНИЯ ОПТИЧЕСКИ ПРОЗРАЧНОЙ КЕРАМИКИ С ПРИМЕНЕНИЕМ КОЛЛЕКТОРНОЙ СХЕМЫ ПРЕССОВАНИЯ 152
5.1 Влияние коллекторной схемы прессования в процессе электроимпульсного
плазменного спекания на микроструктуру и свойства прозрачной керамики на основе иттрий-стабилизированного диоксида циркония 154
5.2 Влияние коллекторной схемы прессования в процессе электроимпульсного
плазменного спекания на микроструктуру и свойства прозрачной керамики на основе алюмомагниевой шпинели 159
5.3 Влияние коллекторной схемы прессования в процессе электроимпульсного плазменного спекания на микроструктуру и свойства прозрачной керамики на
основе иттрий-алюминиевого граната, активированного церием 164
Выводы по главе 5 168
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 169
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 172
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 176
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 177
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 - ПРОТОКОЛЫ РЕГИСТРАЦИИ НОУ-ХАУ 201
Актуальность темы. Поликристаллические оптически прозрачные керамические материалы (ОПКМ) являются эффективной альтернативой монокристаллическим прозрачным материалам и стеклам. ОПКМ обладают уникальным сочетанием теплофизических, физико-механических и оптических свойств. Приемлемая теплопроводность, высокая прочность, термическая, абразивная и химическая стойкость в широком диапазоне температур, пропускание электромагнитного излучения в широком диапазоне длин волн при относительно низкой себестоимости материалов делают оптически прозрачную керамику востребованной в лазерной технике; в оптоэлектронике и светотехнике, в аэрокосмической, оборонной промышленности, в атомной, ускорительной и медицинской технике. Изготовление ОПКМ традиционными методами без использования пластифицирующих и спекающих добавок весьма проблематично. Их использование может привести к нежелательным последствиям - изменению исходного фазового состава, структуры и загрязнению материала в процессе технологических операций. Высокая продолжительность процесса спекания (десятки и сотни часов), вне зависимости от дисперсности исходного порошка, приводит к росту зёрен и не позволяет реализовать потенциал субмикронной структуры зёрен. Перечисленные факторы затрудняют или делают невозможным обеспечение современных высоких требований к качеству, то есть к комплексу оптических, физико-механических и теплофизических свойств, необходимых для эффективной эксплуатации изделий разнообразных форм из ОПКМ для различных применений. Обеспечить современные требования к качеству ОПКМ можно используя метод электроимпульсного плазменного спекания (ЭИПС), который позволяет без использования спекающих добавок получать качественные оптические изделия с высокими эксплуатационными свойствами и субмикронным размером зерна. Поэтому научные исследования по разработке технологий изготовления ОПКМ на основе иттрий-стабилизированного диоксида циркония, алюмомагниевой шпинели и иттрий-алюминиевого граната с применением метода ЭИПС является актуальным.
Диссертационная работа выполнена в рамках проекта РНФ № 17-13-01233 «Разработка люминесцентных наноструктурированных керамик на основе алюмомагниевой шпинели и кубического диоксида циркония с регулируемыми оптическими характеристиками»; проекта РФФИ № 16-08-00831 «Разработка и изготовление изделий прозрачной керамики с высоким фактором формы рациональными методами прессования, совмещенными с ИПС»; проекта РФФИ № 18-03-00238 «Исследование процессов синтеза, спектрально-люминесцентных и физико-механических свойств люминесцентной керамики на основе люминофоров»; университетских конкурсов перспективных исследовательских проектов в рамках программы повышения конкурентоспособности ТПУ: «Разработка инновационного ресурсоэффективного исследовательского блочно - модульного тепличного полигона с применением цифровых технологий и робототехники, в том числе для использования в условиях Арктики» (2018 г.); «Исследование свойств и оптимизация процессов синтеза оптической люминесцентной YSZ керамики, активированной ионами Eu3+, изготавливаемой методами SPS и спекания после ультразвукового прессования» (2020 г.). Работа поддержана стипендией правительства Российской Федерации в 2019 году и стипендией президента Российской Федерации (2021-2023 гг.).
Степень разработанности темы диссертационного исследования.
Значительный вклад в развитие технологии прозрачной керамики внесли Лукин Е.С., Осипов В.В., Гаранин С.Г., Frage N., Zhang H., Ikesue A. И др. Накоплен большой экспериментальный опыт по влиянию параметров консолидации на свойства и структуру прозрачной керамики на основе оксида алюминия и иттрий-алюминиевого граната с применением традиционного спекания и горячего прессования. Активно исследуется зарубежными и отечественными учеными получение прозрачных керамических материалов на основе иттрий-стабилизированного диоксида циркония и алюмомагниевой шпинели. Опубликованные работы посвящены проблемам спекания прозрачных керамических материалов. Релевантных публикаций, посвященных повышению эффективности электроимпульсного плазменного спекания ОПКМ путём совмещения с рациональными приёмами уплотнения материала не обнаружено. До настоящего времени не разработана единая комплексная система оценки влияния различных параметров ЭИПС на эффективность спекания (процесс уплотнения) и эксплуатационные свойства (структурные, механические и оптические) оптически прозрачных керамических материалов.
Объект исследования - субмикронные и наноразмерные порошки оксидов с кубической кристаллической структурой: иттрий-стабилизированного диоксида циркония (ZrO2(10 %Y2O3), YSZ), алюмомагниевой шпинели (MgAl2O4), прекурсор иттрий-алюминиевого граната, активированного церием (YYPOpYe, YAG:Ce) и оптически прозрачные керамические материалы на их основе.
Предмет исследования - процессы консолидации и формирования структуры оптических прозрачных керамических материалов на основе субмикронных и наноразмерных порошков стабилизированного иттрием диоксида циркония, алюмомагниевой шпинели и иттрий -алюминиевого граната.
Цель работы. Разработка составов и технологии оптически прозрачных керамических материалов на основе иттрий-стабилизированного диоксида циркония, алюмомагниевой шпинели и иттрий-алюминиевого граната.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
1. Характеризация порошков иттрий-стабилизированного диоксида циркония, алюмомагниевой шпинели и иттрий-алюминиевого граната по фазовому составу, дисперсности и морфологии для использования метода электроимпульсного плазменного спекания.
2. Исследование процессов термической и компрессионной консолидации субмикронных и наноразмерных порошков иттрий-стабилизированного диоксида циркония, алюмомагниевой шпинели и иттрий-алюминиевого граната, определение условий и технологических режимов формирования образцов керамики с высокой плотностью.
3. Исследование фазового состава, морфологической и кристаллической структуры, оптических и физико-механических свойств оптически прозрачных керамических материалов, изготовленных в различных технологических режимах электроимпульсного плазменного спекания.
4. Установление зависимостей структурных, оптических и физико - механических свойств исследуемых керамических материалов от технологических режимов электроимпульсного плазменного спекания и последующей термической обработки.
5. Разработка практических рекомендаций по эффективному применению коллекторной схемы прессования изделий при электроимпульсном плазменном спекании, обеспечивающих оптическую прозрачность изделий с повышенным фактором формы.
6. Практическая реализация технологии электроимпульсного плазменного спекания для изготовления оптических прозрачных материалов из субмикронных и наноразмерных порошков иттрий-стабилизированного диоксида циркония, алюмомагниевой шпинели и иттрий-алюминиевого граната.
Научная новизна работы.
1. Установлено, что электроимпульсное плазменное спекание субмикронных и микродисперсных порошков иттрий-стабилизированного диоксида циркония, алюмомагниевой шпинели и иттрий-алюминиевого граната обеспечивает формирование прозрачной керамики с относительной плотностью до 99,8 %, светопропусканием до 70 % на длине волны 600 нм и микротвердостью до 18,52 ГПа.
2. Установлено, что термический отжиг в диапазоне температур от 700 °C до 1300 °C продолжительностью от 4 до 24 часов позволяет варьировать в широком диапазоне оптические и механические характеристики прозрачной керамики на основе иттрий-стабилизированного диоксида циркония.
3. Установлено, что постоянные коэффициенты аппроксимации уравнения показателя ослабления для рассеивающих сред на заданной (опорной) длине волны (Хо) могут выступать количественными критериями объективной оптимизации режимов электроимпульсного плазменного спекания: максимальные значения этих коэффициентов характеризуют керамику с лучшими оптическими свойствами; их произведение (k-ho.i) является комплексным критерием качества и позволяет количественно охарактеризовать спектр пропускания керамики
4. Установлено, что для сохранения приемлемого сочетания оптических и механических характеристик оптически прозрачных керамических материалов на основе иттрий-стабилизированного диоксида циркония и алюмомагниевой шпинели концентрация добавки микродисперсных порошков оксидов редкоземельных элементов (CeO2, EU2O3, Tb4O?) не должна превышать 0,1 мас. %.
Теоретическая значимость диссертационной работы заключается в получении новых данных, дополняющих фундаментальные и прикладные знания о процессах интенсивной консолидации субмикронных и наноразмерных порошков иттрий-стабилизированного диоксида циркония, алюмомагниевой шпинели и иттрий-алюминиевого граната методом электроимпульсного плазменного спекания и термического отжига для получения оптически прозрачных керамических материалов, обладающих комплексом наилучших оптических и физико-механических свойств.
Практическая значимость диссертационной работы.
1. Предложена конструкция коллекторной графитовой пресс-формы и разработаны практические рекомендации её применения в процессе электроимпульсного плазменного спекания для изготовления оптически прозрачных керамических материалов с повышенным фактором формы.
2. Для получения оптически прозрачных керамических материалов с комплексом наилучших свойств разработаны оптимальные технологические режимы консолидации методом электроимпульсного плазменного спекания: для иттрий стабилизированного диоксида циркония достигнуты относительная плотность 99,8 % и светопропускание 54 % на длине волны 600 нм при толщине образцов 1 мм; для алюмомагниевой шпинели - относительная плотность 98,9 % и светопропускание 70 % на длине волны 600 нм при толщине образцов 2 мм; для иттрий-алюминиевого граната - относительная плотность 98,8 % и 41,5 % на длине волны 600 нм при толщине образцов 1 мм.
3. Для изменения концентрации кислородных вакансий в структуре оптически прозрачной керамики на основе иттрий-стабилизированного диоксида циркония после электроимпульсного плазменного спекания найдены режимы термического отжига в кислородсодержащей атмосфере, обеспечивающие оптимальное сочетание оптических и физико-механических свойств.
4. Разработаны оптимальные технологические режимы одноосного сухого прессования и последующего спекания светопропускающих керамик на основе иттрий-стабилизированного диоксида циркония и алюмомагниевой шпинели с относительной плотностью выше 96,6 %.
5. Разработаны оптимальные технологические режимы изготовления светопропускающей люминесцентной керамики на основе иттрий-алюминиевого граната, активированного церием для применения в качестве твердотельных источниках света.
Методология диссертационной работы основана на рабочей гипотезе, что для достижения комплекса наилучших оптических и физико-механических свойств оптически прозрачных керамических материалов следует применять высокочистые наноразмерные и субмикронные порошки (иттрий- стабилизированный диоксид циркония, алюмомагниевая шпинель и иттрий- алюминиевй гранат) с кубической кристаллической решеткой и обеспечивать их быструю консолидацию для формирования совершенных межзёренных границ без сегрегированных примесей, с предотвращением интенсивного роста зёрен.
Методы исследования.
Для изготовления оптически прозрачных керамических материалов в работе использован комплекс современных технологических методов компрессионной и термической консолидации порошковых материалов: одноосное сухое
прессования, ультразвуковое прессование, свободное спекание,
электроимпульсное плазменное спекание и модельного описания процессов. Для изучения и характеризации оксидных нано- и субмикронных порошков, морфологической и кристаллической структуры, оптических и физикомеханических свойств оптически прозрачных керамических материалов применён комплекс современных аналитических методов: электронная и оптическая микроскопия, лазерная дифракция, метод Брунаэра, Эммета, Теллера (БЭТ), рентгенофазовый анализ, дилатометрия, ртутная порометрия, спектрофотометрия, методы микроиндентирования.
Положения, выносимые на защиту.
1. Положение о комплексном критерии качества (k-ho.i), характеризующим спектр светопропускания с достоверностью не менее 97,5 % и позволяющим определить количественную взаимосвязь между оптическими, механическими характеристиками и режимами электроимпульсного плазменного спекания оптически прозрачных керамических материалов.
2. Положение о формировании оптически прозрачных керамических
материалов из нанодисперсных и субмикронных порошков иттрий- стабилизированного диоксида циркония, алюмомагниевой шпинели и иттрийалюминиевого граната с относительной плотностью до 99,8 % и
светопропусканием до 41,5 % в видимой области спектра электроимпульсным плазменным спеканием, в том числе в сочетании с коллекторным прессованием, при температурах от 1300 до 1600 °C, скоростях нагрева не более 26 °С/мин и давлении статической подпрессовки не менее 72 МПа.
3. Положение об оптимальном сочетании светопропускания (до 54 % в видимой области спектра) и механических (микротвердость до 15,8 ГПа, трещиностойкость до 2,69 МПа*м1/2) характеристик прозрачной керамики на основе диоксида циркония за счёт термического отжига на воздухе при температурах от 800 до 900 °C в течение 4 часов.
4. Положение о влиянии добавок оксидов редкоземельных элементов (CeO2, Eu2O3, Tb4O7) на оптические свойства. Введение в состав оптически прозрачных керамических материалов добавок в количестве до 0,1 мас. % приводит к изменению спектра светопропускания и обеспечивает приемлемое сочетание светопропускания и механических характеристик.
Личный вклад автора состоит в постановке цели и задач исследования, в выборе экспериментальных методов, планировании экспериментов. Автором выполнены работы по изготовлению образцов, оптимизации технологических режимов одноосного сухого прессования и ультразвукового прессования, свободного спекания, электроимпульсного плазменного спекания, термического отжига; исследования структуры и свойств полученных материалов методами рентгенофазового анализа, дилатометрического анализа, нано- и микроиндентирования. Самостоятельно или при непосредственном участии автора выполнены эксперименты по исследованию морфологии порошков и структуры оптически прозрачных керамических материалов с применением электронной микроскопии, характеристик прессуемости порошков; по измерению оптических свойств оптически прозрачных керамических материалов. С участием автора разработана методика количественного описания оптического качества ОПКМ. Автором выполнена обработка и систематизация полученных экспериментальных результатов, дана их интерпретация, сформулированы основные положения и выводы диссертационной работы. Автор принимал непосредственное участие в подготовке полученных результатов к публикации в докладах и статьях.
Степень достоверности результатов работы обеспечена корректно поставленными задачами; применением обоснованных подходов для их решения; применением комплекса современного технологического, испытательного и аналитического оборудования; использованием методов компьютерной обработки для анализа структуры и свойств материалов; сопоставлением полученных результатов с опубликованными результатами независимых исследований; статистически представительным набором полученных и обработанных данных. Обоснованность выводов и рекомендаций диссертационной работы подтверждена публикациями в рецензируемых международных журналах, в том числе в высокорейтинговых.
Работа выполнена на оборудование ЦКП НОИЦ «Наноматериалы и нанотехнологии» ТПУ, поддержанного проектом Минобрнауки России № 075-152021-710.
Апробация работы: Основные результаты исследования были доложены и обсуждены в 34 докладах, представленных в соавторстве на 20 международных конференциях, в том числе в России, Германии, Италии, Японии, Южной Корее, Бразилии, Черногории, Польше, Таиланде; на 8 международных молодежных и 6 Всероссийских молодежных конференциях в Санкт-Петербурге, Перми, Томске и Владивостоке.
Публикации: основные положения и результаты диссертации опубликованы в 25 научных статьях, 17 - в журналах, индексируемых Scopus и Web of Science, в том числе 4 в журналах первого и второго квартиля.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 202 наименования, 1 приложения. Работа представлена на 203 страницах машинописного текста, содержит 67 рисунков, 40 таблиц.
Диссертационная работа выполнена в рамках проекта РНФ № 17-13-01233 «Разработка люминесцентных наноструктурированных керамик на основе алюмомагниевой шпинели и кубического диоксида циркония с регулируемыми оптическими характеристиками»; проекта РФФИ № 16-08-00831 «Разработка и изготовление изделий прозрачной керамики с высоким фактором формы рациональными методами прессования, совмещенными с ИПС»; проекта РФФИ № 18-03-00238 «Исследование процессов синтеза, спектрально-люминесцентных и физико-механических свойств люминесцентной керамики на основе люминофоров»; университетских конкурсов перспективных исследовательских проектов в рамках программы повышения конкурентоспособности ТПУ: «Разработка инновационного ресурсоэффективного исследовательского блочно - модульного тепличного полигона с применением цифровых технологий и робототехники, в том числе для использования в условиях Арктики» (2018 г.); «Исследование свойств и оптимизация процессов синтеза оптической люминесцентной YSZ керамики, активированной ионами Eu3+, изготавливаемой методами SPS и спекания после ультразвукового прессования» (2020 г.). Работа поддержана стипендией правительства Российской Федерации в 2019 году и стипендией президента Российской Федерации (2021-2023 гг.).
Степень разработанности темы диссертационного исследования.
Значительный вклад в развитие технологии прозрачной керамики внесли Лукин Е.С., Осипов В.В., Гаранин С.Г., Frage N., Zhang H., Ikesue A. И др. Накоплен большой экспериментальный опыт по влиянию параметров консолидации на свойства и структуру прозрачной керамики на основе оксида алюминия и иттрий-алюминиевого граната с применением традиционного спекания и горячего прессования. Активно исследуется зарубежными и отечественными учеными получение прозрачных керамических материалов на основе иттрий-стабилизированного диоксида циркония и алюмомагниевой шпинели. Опубликованные работы посвящены проблемам спекания прозрачных керамических материалов. Релевантных публикаций, посвященных повышению эффективности электроимпульсного плазменного спекания ОПКМ путём совмещения с рациональными приёмами уплотнения материала не обнаружено. До настоящего времени не разработана единая комплексная система оценки влияния различных параметров ЭИПС на эффективность спекания (процесс уплотнения) и эксплуатационные свойства (структурные, механические и оптические) оптически прозрачных керамических материалов.
Объект исследования - субмикронные и наноразмерные порошки оксидов с кубической кристаллической структурой: иттрий-стабилизированного диоксида циркония (ZrO2(10 %Y2O3), YSZ), алюмомагниевой шпинели (MgAl2O4), прекурсор иттрий-алюминиевого граната, активированного церием (YYPOpYe, YAG:Ce) и оптически прозрачные керамические материалы на их основе.
Предмет исследования - процессы консолидации и формирования структуры оптических прозрачных керамических материалов на основе субмикронных и наноразмерных порошков стабилизированного иттрием диоксида циркония, алюмомагниевой шпинели и иттрий -алюминиевого граната.
Цель работы. Разработка составов и технологии оптически прозрачных керамических материалов на основе иттрий-стабилизированного диоксида циркония, алюмомагниевой шпинели и иттрий-алюминиевого граната.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
1. Характеризация порошков иттрий-стабилизированного диоксида циркония, алюмомагниевой шпинели и иттрий-алюминиевого граната по фазовому составу, дисперсности и морфологии для использования метода электроимпульсного плазменного спекания.
2. Исследование процессов термической и компрессионной консолидации субмикронных и наноразмерных порошков иттрий-стабилизированного диоксида циркония, алюмомагниевой шпинели и иттрий-алюминиевого граната, определение условий и технологических режимов формирования образцов керамики с высокой плотностью.
3. Исследование фазового состава, морфологической и кристаллической структуры, оптических и физико-механических свойств оптически прозрачных керамических материалов, изготовленных в различных технологических режимах электроимпульсного плазменного спекания.
4. Установление зависимостей структурных, оптических и физико - механических свойств исследуемых керамических материалов от технологических режимов электроимпульсного плазменного спекания и последующей термической обработки.
5. Разработка практических рекомендаций по эффективному применению коллекторной схемы прессования изделий при электроимпульсном плазменном спекании, обеспечивающих оптическую прозрачность изделий с повышенным фактором формы.
6. Практическая реализация технологии электроимпульсного плазменного спекания для изготовления оптических прозрачных материалов из субмикронных и наноразмерных порошков иттрий-стабилизированного диоксида циркония, алюмомагниевой шпинели и иттрий-алюминиевого граната.
Научная новизна работы.
1. Установлено, что электроимпульсное плазменное спекание субмикронных и микродисперсных порошков иттрий-стабилизированного диоксида циркония, алюмомагниевой шпинели и иттрий-алюминиевого граната обеспечивает формирование прозрачной керамики с относительной плотностью до 99,8 %, светопропусканием до 70 % на длине волны 600 нм и микротвердостью до 18,52 ГПа.
2. Установлено, что термический отжиг в диапазоне температур от 700 °C до 1300 °C продолжительностью от 4 до 24 часов позволяет варьировать в широком диапазоне оптические и механические характеристики прозрачной керамики на основе иттрий-стабилизированного диоксида циркония.
3. Установлено, что постоянные коэффициенты аппроксимации уравнения показателя ослабления для рассеивающих сред на заданной (опорной) длине волны (Хо) могут выступать количественными критериями объективной оптимизации режимов электроимпульсного плазменного спекания: максимальные значения этих коэффициентов характеризуют керамику с лучшими оптическими свойствами; их произведение (k-ho.i) является комплексным критерием качества и позволяет количественно охарактеризовать спектр пропускания керамики
4. Установлено, что для сохранения приемлемого сочетания оптических и механических характеристик оптически прозрачных керамических материалов на основе иттрий-стабилизированного диоксида циркония и алюмомагниевой шпинели концентрация добавки микродисперсных порошков оксидов редкоземельных элементов (CeO2, EU2O3, Tb4O?) не должна превышать 0,1 мас. %.
Теоретическая значимость диссертационной работы заключается в получении новых данных, дополняющих фундаментальные и прикладные знания о процессах интенсивной консолидации субмикронных и наноразмерных порошков иттрий-стабилизированного диоксида циркония, алюмомагниевой шпинели и иттрий-алюминиевого граната методом электроимпульсного плазменного спекания и термического отжига для получения оптически прозрачных керамических материалов, обладающих комплексом наилучших оптических и физико-механических свойств.
Практическая значимость диссертационной работы.
1. Предложена конструкция коллекторной графитовой пресс-формы и разработаны практические рекомендации её применения в процессе электроимпульсного плазменного спекания для изготовления оптически прозрачных керамических материалов с повышенным фактором формы.
2. Для получения оптически прозрачных керамических материалов с комплексом наилучших свойств разработаны оптимальные технологические режимы консолидации методом электроимпульсного плазменного спекания: для иттрий стабилизированного диоксида циркония достигнуты относительная плотность 99,8 % и светопропускание 54 % на длине волны 600 нм при толщине образцов 1 мм; для алюмомагниевой шпинели - относительная плотность 98,9 % и светопропускание 70 % на длине волны 600 нм при толщине образцов 2 мм; для иттрий-алюминиевого граната - относительная плотность 98,8 % и 41,5 % на длине волны 600 нм при толщине образцов 1 мм.
3. Для изменения концентрации кислородных вакансий в структуре оптически прозрачной керамики на основе иттрий-стабилизированного диоксида циркония после электроимпульсного плазменного спекания найдены режимы термического отжига в кислородсодержащей атмосфере, обеспечивающие оптимальное сочетание оптических и физико-механических свойств.
4. Разработаны оптимальные технологические режимы одноосного сухого прессования и последующего спекания светопропускающих керамик на основе иттрий-стабилизированного диоксида циркония и алюмомагниевой шпинели с относительной плотностью выше 96,6 %.
5. Разработаны оптимальные технологические режимы изготовления светопропускающей люминесцентной керамики на основе иттрий-алюминиевого граната, активированного церием для применения в качестве твердотельных источниках света.
Методология диссертационной работы основана на рабочей гипотезе, что для достижения комплекса наилучших оптических и физико-механических свойств оптически прозрачных керамических материалов следует применять высокочистые наноразмерные и субмикронные порошки (иттрий- стабилизированный диоксид циркония, алюмомагниевая шпинель и иттрий- алюминиевй гранат) с кубической кристаллической решеткой и обеспечивать их быструю консолидацию для формирования совершенных межзёренных границ без сегрегированных примесей, с предотвращением интенсивного роста зёрен.
Методы исследования.
Для изготовления оптически прозрачных керамических материалов в работе использован комплекс современных технологических методов компрессионной и термической консолидации порошковых материалов: одноосное сухое
прессования, ультразвуковое прессование, свободное спекание,
электроимпульсное плазменное спекание и модельного описания процессов. Для изучения и характеризации оксидных нано- и субмикронных порошков, морфологической и кристаллической структуры, оптических и физикомеханических свойств оптически прозрачных керамических материалов применён комплекс современных аналитических методов: электронная и оптическая микроскопия, лазерная дифракция, метод Брунаэра, Эммета, Теллера (БЭТ), рентгенофазовый анализ, дилатометрия, ртутная порометрия, спектрофотометрия, методы микроиндентирования.
Положения, выносимые на защиту.
1. Положение о комплексном критерии качества (k-ho.i), характеризующим спектр светопропускания с достоверностью не менее 97,5 % и позволяющим определить количественную взаимосвязь между оптическими, механическими характеристиками и режимами электроимпульсного плазменного спекания оптически прозрачных керамических материалов.
2. Положение о формировании оптически прозрачных керамических
материалов из нанодисперсных и субмикронных порошков иттрий- стабилизированного диоксида циркония, алюмомагниевой шпинели и иттрийалюминиевого граната с относительной плотностью до 99,8 % и
светопропусканием до 41,5 % в видимой области спектра электроимпульсным плазменным спеканием, в том числе в сочетании с коллекторным прессованием, при температурах от 1300 до 1600 °C, скоростях нагрева не более 26 °С/мин и давлении статической подпрессовки не менее 72 МПа.
3. Положение об оптимальном сочетании светопропускания (до 54 % в видимой области спектра) и механических (микротвердость до 15,8 ГПа, трещиностойкость до 2,69 МПа*м1/2) характеристик прозрачной керамики на основе диоксида циркония за счёт термического отжига на воздухе при температурах от 800 до 900 °C в течение 4 часов.
4. Положение о влиянии добавок оксидов редкоземельных элементов (CeO2, Eu2O3, Tb4O7) на оптические свойства. Введение в состав оптически прозрачных керамических материалов добавок в количестве до 0,1 мас. % приводит к изменению спектра светопропускания и обеспечивает приемлемое сочетание светопропускания и механических характеристик.
Личный вклад автора состоит в постановке цели и задач исследования, в выборе экспериментальных методов, планировании экспериментов. Автором выполнены работы по изготовлению образцов, оптимизации технологических режимов одноосного сухого прессования и ультразвукового прессования, свободного спекания, электроимпульсного плазменного спекания, термического отжига; исследования структуры и свойств полученных материалов методами рентгенофазового анализа, дилатометрического анализа, нано- и микроиндентирования. Самостоятельно или при непосредственном участии автора выполнены эксперименты по исследованию морфологии порошков и структуры оптически прозрачных керамических материалов с применением электронной микроскопии, характеристик прессуемости порошков; по измерению оптических свойств оптически прозрачных керамических материалов. С участием автора разработана методика количественного описания оптического качества ОПКМ. Автором выполнена обработка и систематизация полученных экспериментальных результатов, дана их интерпретация, сформулированы основные положения и выводы диссертационной работы. Автор принимал непосредственное участие в подготовке полученных результатов к публикации в докладах и статьях.
Степень достоверности результатов работы обеспечена корректно поставленными задачами; применением обоснованных подходов для их решения; применением комплекса современного технологического, испытательного и аналитического оборудования; использованием методов компьютерной обработки для анализа структуры и свойств материалов; сопоставлением полученных результатов с опубликованными результатами независимых исследований; статистически представительным набором полученных и обработанных данных. Обоснованность выводов и рекомендаций диссертационной работы подтверждена публикациями в рецензируемых международных журналах, в том числе в высокорейтинговых.
Работа выполнена на оборудование ЦКП НОИЦ «Наноматериалы и нанотехнологии» ТПУ, поддержанного проектом Минобрнауки России № 075-152021-710.
Апробация работы: Основные результаты исследования были доложены и обсуждены в 34 докладах, представленных в соавторстве на 20 международных конференциях, в том числе в России, Германии, Италии, Японии, Южной Корее, Бразилии, Черногории, Польше, Таиланде; на 8 международных молодежных и 6 Всероссийских молодежных конференциях в Санкт-Петербурге, Перми, Томске и Владивостоке.
Публикации: основные положения и результаты диссертации опубликованы в 25 научных статьях, 17 - в журналах, индексируемых Scopus и Web of Science, в том числе 4 в журналах первого и второго квартиля.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 202 наименования, 1 приложения. Работа представлена на 203 страницах машинописного текста, содержит 67 рисунков, 40 таблиц.
В диссертационной работе разработана технология оптически прозрачных керамических материалов на основе иттрий-стабилизированного диоксида циркония, алюмомагниевой шпинели и иттрий-алюминиевого граната методом электроимпульсного плазменного спекания. Исследованы физико-химические процессы уплотнения и формирования структуры прозрачной керамики керамики на основе иттрий-стабилизированного диоксида циркония, алюмомагниевой шпинели и иттрий-алюминиевого граната. Установлена количественная взаимосвязь между оптическими, механическими характеристиками и режимами электроимпульсного плазменного спекания оптически прозрачных керамических материалов. Определены технологические режимы электроимпульсного плазменного спекания, обеспечивающие формирование прозрачного материала с высокими механическими свойствами и плотностью, близкой к теоретической. Получаемая прозрачная керамика может быть рекомендована к использованию в оборонной и аэрокосмической промышленности (оптически прозрачные ударно - и бронезащитные материалы), в медицинской технике и томографии (детекторы излучений в широком диапазоне электромагнитного спектра - от гамма-квантов до ИК-области); оптоэлектронике и светотехнике (матрица для люминесцентных материалов, новые источники света).
При изготовлении прозрачной керамики на основе иттрий- стабилизированного диоксида были выявлены факторы, оказывающее влияние на оптические свойства изделий. В частности, показано, что для увеличения светопропускания оптически прозрачных керамических материалов, изготовленных методом электроимпульсного плазменного спекания, для варьирования светопропускания, целесообразно использовать термический отжиг в кислородосодержащей атмосфере.
Введение оксидов редкоземельных элементов (CeO2, EU2O3, ТЬдО?) в прозрачную керамику на основе иттрий-стабилизированного диоксида циркония и алюмомагниевой шпинели в количестве до 0,1 мас. % не оказывает влияния на механические свойства и оставляет светопропускание на приемлемом уровне, достаточном для использования полученных материалов в качестве преобразователей оптического излучения в светотехнических изделиях.
На этапе изготовления традиционными методами керамики исследуемых составов выявлено, что холодное прессование не позволяет обеспечить необходимый уровень давления (от 6 ГПа и выше), при котором можно ожидать быстрого формирования прозрачного высокоплотного материала при последующей высокотемпературной консолидации на воздухе. Тем не менее, найденные режимы холодного прессования с последующим спеканием на воздухе позволят изготавливать достаточно плотные керамики на основе иттрий- стабилизированного диоксида циркония и алюмомагниевой шпинели, которые могут быть эффективно использованы как конструкционные материалы. Керамика на основе иттрий-алюминиевого граната может быть успешно использована в качестве преобразователя оптического излучения в твердотельных источниках света.
В работе продемонстрирована возможность получения оптически прозрачных керамических материалов на основе иттрий -стабилизированного диоксида циркония, алюмомагниевой шпинели и иттрий-алюминиевого граната методом электроимпульсного плазменного спекания, совмещенным с коллекторной схемой прессования. При этом показано, что применение коллекторного прессования, при прочих равных условиях, позволяет изготавливать керамику с лучшими характеристиками. Это позволяет рекомендовать применение коллекторной схемы прессования в процессе электроимпульсного плазменного спекания для изготовления оптических прозрачных керамических материалов на основе исследуемых порошков с улучшенными эксплуатационными характеристиками. Для полной реализации практического потенциала коллекторной схемы прессования и повышения качества прозрачной керамики с повышенным фактором формы, необходимо проведение дополнительных оптимизационных исследований. Таким образом, применение коллекторной схемы прессования в процессе электроимпульсного плазменного спекания представляется перспективным для дальнейшей разработки, поскольку позволяет не только минимизировать недостатки, унаследованные от традиционно используемой в нём одноосной схемы прессования, но и в перспективе может позволить создавать изделия сложной формы, уменьшить затраты на изготовление оснастки и продлить срок её службы, проводить прессование давлениями, превышающими предел прочности материала пресс-формы. Последнее преимущество наиболее актуально в свете выявленной в ходе диссертационного исследования тенденции повышения некоторых эксплуатационных характеристик оптически прозрачных керамических материалов при увеличении давления их подпрессовки в процессе электроимпульсного плазменного спекания.
Подходы, использованные в работе, найденные и предложенные решения по оптимизации технологических процессов и режимов изготовления оптически прозрачных керамических материалов на основе иттрий -стабилизированного диоксида циркония, алюмомагниевой шпинели и иттрий-алюминиевого граната, могут быть масштабированы при их промышленной реализации и дальнейшем применение в современных высокотехнологичных отраслях: аэрокосмической технике, оборонной промышленности и оптическом приборостроении.
Выявленный- в ходе выполнения диссертационного исследования- способ регулирования эксплуатационных свойств керамики на основе иттрий- стабилизированного диоксида циркония защищен ноу-хау «Технологические режимы изготовления прозрачной люминесцентной керамики на основе нанопорошка кубического диоксида циркония с регулируемыми оптиколюминесцентными и механическими свойствами», зарегистрированным протоколом №3 от 8 ноября 2019 года (Приложение №1), приемы коллекторного прессования для изготовления образцов с повышенным фактором формы защищены ноу-хау «Кинематическая схема прессования в процессе электроимпульсного плазменного спекания для изготовления высокоплотных керамических материалов с повышенным фактором формы», зарегистрированным протоколом №6 от 26 ноября 2021 года (Приложение №1), а способ изготовления люминесцентных керамик на основе иттрий-алюминиевого граната защищен ноу- хау «Режимы синтеза керамического люминесцентного материала для производства высокоэффективных преобразователей оптического излучения на основе иттрий-алюминиевого граната, активированного ионами церия» зарегистрированным протоколом №4 от 26 ноября 2021 года (Приложение №1)
В заключении автор выражает глубокую признательность научному руководителю, профессору ОМ ИШНПТ ТПУ О.Л. Хасанову и особую благодарность старшему научному сотруднику НОИЦ «Наноматериалы и нанотехнологии» ТПУ Э.С. Двилису за ценные обсуждения, рекомендации и поддержку на всех этапах выполнения диссертационной работы. Автор благодарен за помощь при проведении экспериментов по измерению оптических характеристик и их обсуждению доцентам ОМ ИШНПТ ТПУ С.А. Степанов и Д.Т. Валиеву. Автор признателен за помощь в проведении ряда экспериментальных исследований сотрудникам и аспирантом ОМ ИШНПТ ТПУ, в частности О.С. Толкачёву, М.П. Калашникову, Т.Р. Алишину и Г.В. Ляминой.
При изготовлении прозрачной керамики на основе иттрий- стабилизированного диоксида были выявлены факторы, оказывающее влияние на оптические свойства изделий. В частности, показано, что для увеличения светопропускания оптически прозрачных керамических материалов, изготовленных методом электроимпульсного плазменного спекания, для варьирования светопропускания, целесообразно использовать термический отжиг в кислородосодержащей атмосфере.
Введение оксидов редкоземельных элементов (CeO2, EU2O3, ТЬдО?) в прозрачную керамику на основе иттрий-стабилизированного диоксида циркония и алюмомагниевой шпинели в количестве до 0,1 мас. % не оказывает влияния на механические свойства и оставляет светопропускание на приемлемом уровне, достаточном для использования полученных материалов в качестве преобразователей оптического излучения в светотехнических изделиях.
На этапе изготовления традиционными методами керамики исследуемых составов выявлено, что холодное прессование не позволяет обеспечить необходимый уровень давления (от 6 ГПа и выше), при котором можно ожидать быстрого формирования прозрачного высокоплотного материала при последующей высокотемпературной консолидации на воздухе. Тем не менее, найденные режимы холодного прессования с последующим спеканием на воздухе позволят изготавливать достаточно плотные керамики на основе иттрий- стабилизированного диоксида циркония и алюмомагниевой шпинели, которые могут быть эффективно использованы как конструкционные материалы. Керамика на основе иттрий-алюминиевого граната может быть успешно использована в качестве преобразователя оптического излучения в твердотельных источниках света.
В работе продемонстрирована возможность получения оптически прозрачных керамических материалов на основе иттрий -стабилизированного диоксида циркония, алюмомагниевой шпинели и иттрий-алюминиевого граната методом электроимпульсного плазменного спекания, совмещенным с коллекторной схемой прессования. При этом показано, что применение коллекторного прессования, при прочих равных условиях, позволяет изготавливать керамику с лучшими характеристиками. Это позволяет рекомендовать применение коллекторной схемы прессования в процессе электроимпульсного плазменного спекания для изготовления оптических прозрачных керамических материалов на основе исследуемых порошков с улучшенными эксплуатационными характеристиками. Для полной реализации практического потенциала коллекторной схемы прессования и повышения качества прозрачной керамики с повышенным фактором формы, необходимо проведение дополнительных оптимизационных исследований. Таким образом, применение коллекторной схемы прессования в процессе электроимпульсного плазменного спекания представляется перспективным для дальнейшей разработки, поскольку позволяет не только минимизировать недостатки, унаследованные от традиционно используемой в нём одноосной схемы прессования, но и в перспективе может позволить создавать изделия сложной формы, уменьшить затраты на изготовление оснастки и продлить срок её службы, проводить прессование давлениями, превышающими предел прочности материала пресс-формы. Последнее преимущество наиболее актуально в свете выявленной в ходе диссертационного исследования тенденции повышения некоторых эксплуатационных характеристик оптически прозрачных керамических материалов при увеличении давления их подпрессовки в процессе электроимпульсного плазменного спекания.
Подходы, использованные в работе, найденные и предложенные решения по оптимизации технологических процессов и режимов изготовления оптически прозрачных керамических материалов на основе иттрий -стабилизированного диоксида циркония, алюмомагниевой шпинели и иттрий-алюминиевого граната, могут быть масштабированы при их промышленной реализации и дальнейшем применение в современных высокотехнологичных отраслях: аэрокосмической технике, оборонной промышленности и оптическом приборостроении.
Выявленный- в ходе выполнения диссертационного исследования- способ регулирования эксплуатационных свойств керамики на основе иттрий- стабилизированного диоксида циркония защищен ноу-хау «Технологические режимы изготовления прозрачной люминесцентной керамики на основе нанопорошка кубического диоксида циркония с регулируемыми оптиколюминесцентными и механическими свойствами», зарегистрированным протоколом №3 от 8 ноября 2019 года (Приложение №1), приемы коллекторного прессования для изготовления образцов с повышенным фактором формы защищены ноу-хау «Кинематическая схема прессования в процессе электроимпульсного плазменного спекания для изготовления высокоплотных керамических материалов с повышенным фактором формы», зарегистрированным протоколом №6 от 26 ноября 2021 года (Приложение №1), а способ изготовления люминесцентных керамик на основе иттрий-алюминиевого граната защищен ноу- хау «Режимы синтеза керамического люминесцентного материала для производства высокоэффективных преобразователей оптического излучения на основе иттрий-алюминиевого граната, активированного ионами церия» зарегистрированным протоколом №4 от 26 ноября 2021 года (Приложение №1)
В заключении автор выражает глубокую признательность научному руководителю, профессору ОМ ИШНПТ ТПУ О.Л. Хасанову и особую благодарность старшему научному сотруднику НОИЦ «Наноматериалы и нанотехнологии» ТПУ Э.С. Двилису за ценные обсуждения, рекомендации и поддержку на всех этапах выполнения диссертационной работы. Автор благодарен за помощь при проведении экспериментов по измерению оптических характеристик и их обсуждению доцентам ОМ ИШНПТ ТПУ С.А. Степанов и Д.Т. Валиеву. Автор признателен за помощь в проведении ряда экспериментальных исследований сотрудникам и аспирантом ОМ ИШНПТ ТПУ, в частности О.С. Толкачёву, М.П. Калашникову, Т.Р. Алишину и Г.В. Ляминой.
