Получение оптической керамики на основе нанопорошков оксида алюминия и алюмомагниевой шпинели

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОАО НИТИОМ ВНЦ "ГОИ им. С.И. Вавилова"

ПОЛУЧЕНИЕ ОПТИЧЕСКОЙ КЕРАМИКИ НА ОСНОВЕ НАНОПОРОШКОВ ОКСИДА АЛЮМИНИЯ И АЛЮМОМАГНИЕВОЙ ШПИНЕЛИ

В.В. Шарыпин

А.Н. Смирнов

Рассмотрены различные методы получения керамики на основе оксида алюминия и алюмомагниевой шпинели; показана эффективность методов горячего прессования (ГП) и спекания для формирования оптической керамики. алюминий прессование оптический керамика

Оптическая оксидная керамика в настоящее время является одним из наиболее перспективных материалов для применений в качестве прозрачной брони, защитных окон летательных аппаратов и пр. В настоящей работе исследованы различные подходы к консолидации нанопорошков оксида алюминия и алюмомагниевой шпинели с целью получения высокооднородных прозрачных керамик.

Керамику получали методами горячего прессования и высокотемпературного спекания. В качестве исходных нанопорошков были использованы Al2O3 (AEROXIDE Alu C «Degussa») с удельной площадью поверхности 100 м2/г и средним размером частиц 13 нм и MgAl2O4 с удельной площадью поверхности 160 м2/г и размером агрегатов до 100 нм по данным сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) (рис. 1).

Рис. 1. Микрофотографии исходных нанопорошков а) оксида алюминия Al2O3 и б) алюмомагниевой шпинели MgAl2O4.

СЭМ изображения исходных нанопорошков, приведенные на рис. 1, свидетельствуют о высокой агрегации частиц Al2O3 и MgAl2O4. Как видно, оба порошка состоят из агрегатов с размерами до 100 нм.

Порошки формовали в таблетки прессованием при различных давлениях в стальной пресс-форме, затем полученные образцы спекали при различных температурах. В качестве спекающих добавок в MgAl2O4 были использованы следующие соединения: LiF, MgF2, SiO2, H3BO3.

Образцы из MgAl2O4, начинали спекаться при низких значениях температуры: так после термообработки при 1200 °С их относительная плотность составляла уже 92-93 % от теоретической. Однако дальнейшее повышение температуры спекания до 1800 °С не привело к заметному увеличению значений плотности получаемого керамического материала.

Спрессованный нанопорошок Al2O3 показал низкую активность к спеканию, значения плотности образцов во всём изученном диапазоне температур до 1800 °С изменялись незначительно. Лучшие результаты показали образцы Al2O3, полученные с помощью золь-гель метода.

Золь получали путем диспергирования исходного порошка оксида алюминия в дистиллированной воде. Далее золь отливали в формы, материал которой выбирают с учетом уменьшения адгезии на ее стенках, и оставляли гелировать при комнатной температуре. После отставания от стенок гель высушивали и подвергали термообработке на воздухе при температурах от 200 до 1450 °С.

В отличие от образцов, полученных прессованием, объемно-формованные образцы, синтезированные золь-гель методом, показали хорошую активность к спеканию (плотность увеличивалась постепенно с ростом температуры обработки). После спекания при температуре 1450 °С керамики достигли ожидаемой плотности порядка 80-90 % от теоретического значения. Спекание при 1800 °С в вакууме позволило увеличить плотность образцов до 98-100 % от теоретического значения. Горячее прессование нанопорошков Al2O3 и MgAl2O4 осуществляли в вакуумной печи при температуре 1450 °С и давлении 200 МПа. Данные условия позволили получить образцы с плотностью, близкой к теоретической, как для оксида алюминия, так и для алюмомагниевой шпинели. Спектры пропускания керамик Al2O3 и MgAl2O4 представлены на рис. 2.

Рис. 2. Спектры пропускания керамик Al2O3 и MgAl2O4, полученных горячим прессованием при температуре 1450°С и давлении 200 МПа.

Из графика видно, что образец керамики Al2O3 прозрачен в диапазоне от 0.2 до 7 мкм с максимумом пропускания на длинах волн 4 - 5 км (80 %). В свою очередь образец шпинели полностью непрозрачен в видимом диапазоне и пропускает свет на длинах волн от 0.8 до 6.9 мкм с максимумом на 5.2 мкм (69 %).

Одной из основных проблем, затрудняющих получение высокоплотной оптической керамики с применением методов холодного или горячего прессования, является высокая степень агрегации нанопорошков. Это является причиной наличия несхлопнувшихся при спекании пор (для холодного прессования) и непропрессованных включений (для горячего прессования). Преимущество золь-гель синтеза керамических материалов заключается в возможности «разбиения» агрегатов из первичных наночастиц в жидкой среде, например, с помощью использования ультразвуковых диспергирующих устройств. Вследствие этого образцы, полученные этим методом, обладают большей однородностью, а процесс спекания протекает равномерно и по всему объему.

Также в работе был предложен комбинированный способ получения оптической керамики, включающий в себя как стадии золь-гель синтеза, так и использование метода горячего прессования. Так, ксерогели, полученные с помощью золь-гель метода, истирали в порошок после термообработки при 900°С. Далее этот порошок использовали для горячего прессования как альтернативу исходному нанопорошку Al2O3, что позволило изменить структуру порошка, а также упростить его введение в пресс-форму за счёт увеличения насыпной плотности (исходный нанопорошок обладал низкой насыпной плотностью, что затрудняло введение в пресс-форму заданной навески).

На рис. 3 и 4 представлены спектры пропускания, а также фотографии керамики Al2O3, полученной высокотемпературным спеканием объемно-формованного образца ксерогеля, и горячим прессованием порошка этого же ксерогеля.

Рис. 3. Спектры пропускания керамик Al2O3, полученных спеканием ксерогеля при температуре 1800°С и горячим прессованием порошка ксерогеля при температуре 1450°С и давлении 200 МПа.

Из рис. 3 видно, что область пропускания керамики, полученной спеканием, незначительно шире (от 0.3 до 7 мкм), чем область пропускания керамики, полученной горячим прессованием (0.4 до 6.9 мкм). Плавное нарастание пропускания с увеличением длины волны свидетельствует о наличии большого числа рассеивающих центров в образце, полученном спеканием. Давление, прикладываемое к образцу во время горячего прессования, позволяет уменьшить число рассеивающих центров. Несмотря на более высокое пропускание спеченного образца в видимой области, максимум пропускания лежит на длине волны 5 мкм и составляет 51 %. Пропускание прессованного образца в ИК области спектра значительно выше и имеет максимум в 82 % на длинах волн от 4.5 до 5 мкм.

Рис. 4. Фотографии керамик Al2O3, полученных: a) спеканием ксерогеля при температуре 1800°С; б) горячим прессованием порошка ксерогеля при температуре 1450°С и давлении 200 МПа.

Исходя из полученных результатов, можно сделать вывод о том, что в зависимости от требований к конечному продукту для получения оптической функциональной керамики из оксида алюминия и алюмомагниевой шпинели можно использовать как горячее прессование, так и спекание.

Дальнейшее совершенствование методов деагломерации нанопорошков перед формированием, увеличение температуры спекания и использование горячего изостатического прессования позволят улучшить оптическое качество образцов.

Размещено на Allbest.ru