Высокотемпературные керамические материалы на основе тугоплавких соединений,

Разработка легких коррозионно-стойких керамических композитов с высокой прочностью и эксплуатационными

система в течение относительно короткого времени (часы-минуты) приближается к равновесию.

По химическому составу:
на основе металлических сплавов
на основе оксидов
на

Всесторонний нагрев, объемный прогрев
Лопатки газовых турбин, жаровые трубы
Оболочки

тугоплавких соединений по сравнению с кислородсодержащими (оксидными) связаны не только

SIALON’S; AlN, BN, SiC, SiC-AlN, SiC-MeB2
Temperature dependence of strength for

Structure of HPSN

Керамические детали ГТД

Прямые:
Температура плавления
Температура испарения (сублимации, диссоциации)
Энтальпия плавления
Энтальпия

самодиффузии
Параметры реакционной диффузии при межфазном взаимодействии
Параметры термически активируемого перемещения дислокаций
Скорость

материалы демонстрируют катастрофическое снижение рабочей температуры в окислительной среде

Реакции при окислении

оксидов при 1000С (а,в) и 1300С (б,г)

Institute of Technology, Kanpur
6
Coorg
April 5-7, 2004

1) SiC + 2O2 = SiO2 + CO2

1400 (1), 1300 (2), 1200 (3), 1100 (4) и 1000С

1) 4AlN + 3O2 = 2Al2O3 +

в воздухе 900 (1), 1000 (2), 1100 (3), 1300 (4),

нитрида бора при 900 (1), 950 (2), 1000 (3), 1100

мире (США, Китай, Япония, страны ЕС) в области материаловедения интенсивно

горячего прессования
*The relation of ZrB2 : ZrSi2 in a charge

in B!
Boron-Peak there shifted by app. -0.2 keV
Фазовый состав УВТК
SiC
ZrB2
X

± ZrSi2
Фазовая «сборка»

a

– ZrSi2 – SiC (b) ceramics on SiC content

a

в композите

среде

% ZrSi2) +25 vol. % SiC
USS-43 - 52 vol. %

US-20 – 81.4 vol.% ZrB2+18.6 vol.% SiC
USS-22 - 78 vol.% ZrB2+17.6 vol.% SiC+4.2 vol.% ZrSi2
USS-23 - 75.4 vol.% ZrB2+17.2 vol.% SiC+7.4 vol.% ZrSi2

ZrB2 -20 vol.% MoSi2

a – Structure of USS4 oxidized sample fracture after 50 h oxidation in O2 at 1500oC; b – pictures of oxidized (at 1500oC) samples: on the middle – ZrB2-ZrSi2-SiC samples; on both sides - ZrB2-SiC ones.

mg/cm2
8,1 mg/cm2

на угле

Al2O3 + Si + SiO2(res) + Q)
Теплозащитные покрытия на основе

thermal shock resistance
CHALLENGE:
To improve the following properties by growing the

Al2TiO5

Al2O3

Al2O3 rich phase: toughness of 346 MPa!

DSE Microstructure

тугоплавких соединений наиболее перспективны для эффективного применения в особо экстркмальных

и медицины

– Al2O3
ZrO2 – Y2O3 – CeO2 ZrO2 –

Керамические
материалы в системах на основе ZrO2

ZrO2 – Y2O3 – CeO2 – Al2O3

Самоармовані композити

Багатошарові композити

Біоінертні імплантати

Состав  Дисперсность  Структура  Свойства

Характеристики исходных порошков

Своства материалов

розчину, декантація,
центрифугування, дегідратація;
Сушка при 60-80 0С, 6-8 годин;
Відпал порошків;
Розмел

Розчин ZrО(NO3)2 · 2H2O
або
ZrOCl2.8H2O

Розчин Y(NO3)3· 6H2O

Розчин Al(NO3)3·9H2O

Розчин Се(NO3)3· 6H2O

Змішування розчинів
Спільне осадження, рН  10  NH4OH

Старіння суміші гідроксидів при кип'ятінні.
Багаторазова декантація суспензії для видалення аніонних залишків (NO3)-,Cl-).
Сушка осаду до в'язко-пластичного стану.

Гідроліз висококонцентрованого гелю,
рН 9 t=190-2200C, 4-5 годин

Готовий порошок

Zr(OH)4 + n H2O  ZrO2 + n H2O Сe(OH)3 + n H2O CeO2 + n H2O Y(OH)3 + n H2O  Y2O3 + n H2O Al(OH)3 + n H2O  Al2O3 + n H2O

– 3 мол. % Y2O3;
б) 95 мол. % ZrО2 –

Морфологія первинних частинок порошків
після гідротермальної обробки

Морфологія агломератів порошків
після гідротермальної обробки

Морфологія агломератів порошків
після сумісного осадження

F-ZrO2 + γ-AlO(ОН)

γ-AlO(ОН)

Правило Оствальда

Принцип орієнтаційної відповідності Данкова

при відпалі в інтервалі
температур 400 оС – 1300 оС
а

Загальні закономірності :
підвищення температури низькотемпературного фазового переходу F-ZrО2 Т-ZrО2;
взаємне гальмування росту частинок ZrО2 і Al2O3,
пластинчаста форма частинок  - Al2O3;
формування Т-ZrО2 і  - Al2O3 як результат самоорганізації систем у процесі термічної обробки (спікання) вільно насипаних порошків при 400-1300С;
висока активність отриманих порошків.

Морфологія агломератів порошку складу 90 % за масою ZrО2 (8CeО2,2Y2O3) - 10 % за масою Al2O3
після термічної обробки за ступеневим режимом

зміна термодинамічних умов спікання
SiC , Si3N4, AlN, Al2O3,

Високі характеристики міцності матеріалів у системі ZrO2-Y2O3-CeO2-Al2O3 обумовлені сукупною дією матриці на основі ZrO2(Y2O3, CeO2) та зміцнюючої фази - -Al2O3.

Самоармированные материалы в системе ZrO2-Y2O3-CeO2-Al2O3

армуюча фаза – β-Al2O3

Композиты, упрочненные частицами

Самоармування реалізується при аномальному рості зерен фаз, які формуються з одного або декількох компонентів. При спіканні крупніші неізометричні зерна різної морфології формуються в дрібнозернистій матриці.

Підвищення
характеристик
міцності матеріалів
обумовлено
комбінованою
дією механізмів
трансформаційного
зміцнення
та
відхилення/
/розгалудженння
тріщин

ZrO2 ( Y2O3 ,CeO2) – α – Al2O3

формування негомогенної мікроструктури, в якій пластинки армуючої фази α –

Виробництво
вихідних порошків

Гідротермальний
синтез

Формування
зразків

Холодне
одновісне
формування

Спікання

Комбінований
режим

Питома поверхня :
70-80 м2/г;
Розмір первинних частинок :
10-20 нм

Проектирование самоармированных композитов

90 % за масою ZrO2 ( 8 CeO2 ,2 Y2O3 ) – 10 % за масою Al2O3

Повітря + вакуум

години та в вакуумі при 1450 C,1 годину: a,c –

 = 0,95

Т- ZrO2, М- ZrO2,
сліди F- ZrO2,  -Al2O3 та СеAlO3

1300 С, 2 г, повітря + 1450 С, 1 г,вакуум

1150 С, 2 г, повітря +
1450 С, 1 г,вакуум

 = 0,94

Т- ZrO2, СеAlO3 сліди М- ZrO2

Ефект Хедвала

α-Al2O3, одержаного після відпалу суміші нітрату алюмінію з мінералізатором при

Морфологія порошків 97 мол.% ZrO2 – 3 мол.% Y2O3 (а,б)
і 90 мол. % ZrO2–8 мол.%CeO2–2 мол.%Y2O3 (в,г)
після відпалу в присутності АlF3 при температурі 700 С (а,в) і 1000 С (б,г).

Морфологія порошку 90% ZrО2(8CeО2,2Y2O3)10% Al2O3, одержаного після обробки AlF3

1300 C, 2 години
на повітрі
та в вакуумі
при

1150 С, 2 г, повітря
+ 1450 С, 1 г,вакуум

 = 0,92

Т- ZrO2, М- ZrO2,  - Al2O3,
сліди F- ZrO2

1300 С, 2 г, повітря + 1450 С, 1 г,вакуум

 = 0,96

Т- ZrO2, М- ZrO2, - Al2O3, сліди F- ZrO2

Ріст пластинок:

ріст зерен

процес дозрівання за Оствальдом

1300C, 6 годин
Та в вакуумі in при 1450C ,1 година:

1300 С, 6 г, повітря + 1450 С, 1 г,вакуум

 = 0,98-0,99

Т-ZrO2,  - Al2O3,
сліди
Ce2O3 · 11Al2O3

Утворення армуючої фази

1300 оС  спікання в області нормального росту зерен ZrO2;
CeO2  Ce2O3;
Al2O3 + Ce2O3  СеAlO3  Ce2O3 · 11Al2O3

15600
В‘язкість руйнування, ( К1с,МPа · m0,5):
17 [Evans –

Міцність ,σвиг, МPа : 900 - 1000

Самоармовані композити у системі ZrO2-Y2O3-CeO2-Al2O3 перспективні для розробки конструкційних матеріалів

Фрактограми
самоармованого
композиту

легованого
Y2O3 та CeO2
Одержання
регулярної
мікроструктури
зразків
Спікання зразків при зниженій

95 мол. % ZrО2–2 мол. % CeO2–3 мол. % Y2O3

Комплексна обробка
вихідних
порошків

шийки стегна
Рентгенограми ендопротезів після :
а – спікання при 1300

Barriers
Preventing Loss of Thermal Energy
Thermal Ceramics
Conversion of Thermal Energy at

the porosity is about 85%, FractalGlue™ bonded FractalBalls™ have a

Основними результатами досліджень є вивчення закономірностей процесів, що

could withstand 2750°C …
materials that were exceptionally good thermal conductors…
oxidation

we could….
use passively cooled leading edges which would simplify the reentry envelop and reduce life-cycle costs.
eliminate the need for actively cooled structures which would lower the weight and reduce system complexity.
eliminate the need to have a structural framework over-coated with a thermal protection system.
adapt to changes in surface pressure or temperature to modify the structure thus improving performance.