Разработка и исследование композиционных керамических материалов, содержащих гексаалюминаты щелочных и щелочноземельных металлов

В данном проекте изучено влияние различных гексаалюминатов на структуру и свойства керамических материалов на основе оксида алюминия и диоксида циркония. В ходе реализации проекта были изучены закономерности формирования гексаалюминатов кальция и стронция в структуре оксидной керамики. На примере керамики, содержащей гексаалюминат стронция, исследована эволюция структуры композита на основе оксида алюминия и диоксида циркония при нагреве. Установлено, что размеры и форма гексаалюмината стронция различаются при различных температурах спекания. Пластинчатая морфология зерен гексаалюмината стронция обусловлена преимущественной сегрегацией ионов Sr к базисным плоскостям (0001) границ зерен оксида алюминия. Пластина гексаалюмината стронция начинает формироваться в зерне оксида алюминия, что указывает на более интенсивную диффузию Sr2+ в алюмооксидные зерна. Кроме того, пластина SrAl12O19 ориентирована в радиальном направлении по отношению к полиэдрическому алюмооксидному зерну оксида алюминия. Рост длины пластин SrAl12O19 протекает преимущественно до 1400 °С. Также показано, что формирование гексаалюминатов стронция и кальция приводит к снижению размеров зерен оксида алюминия. Экспериментально установлена эффективность применения гексаалюминатов стронция и кальция для повышения трещиностойкости алюмоциркониевой керамики. Наиболее высокий уровень критического коэффициента интенсивности напряжений зафиксирован при максимальном содержании гексаалюминатов и составляет 7,7±0,3 МПа•м1/2. В материалах, содержащих гексаалюминаты стронция и кальция, зафиксированы различные механизмы повышения трещиностойкости алюмоциркониевых керамик. Их проявление зависит от количественного содержания гексаалюминатов в материале. В материалах, содержащих до 6 масс. % гексаалюминатов, преимущественно наблюдаются механизмы огибания, раздваивания трещин, разрушения пластин и формирование мостиков. Механизм отклонения фронта трещины кристаллами пластинчатой формы явно проявляется лишь в материалах с содержанием гексаалюминатов от 9 масс. % и выше. С точки зрения практического применения полученных данных, наиболее рациональным сочетанием свойств характеризуются материалы, содержащие 6 масс. % гексаалюминатов кальция и стронция (прочность на изгиб на уровне 600 МПа, трещиностойкости 6-7 МПа•м1/2, относительная от теоретической плотность 97 % и твердость 1600 HV). При разработке керамических изделий, подвергающихся высоким нагрузкам, рекомендуется, использовать технологию горячего изостатического прессования, обеспечивающую получение материала с уровнем прочности 1400 МПа и трещиностойкости на уровне 7 МПа•м1/2.