Разработка научных основ аддитивной технологии получения керамических изделий электронно-пучковым методом нагрева

В последнее время бурно развиваются аддитивные технологии изготовления материалов, которые уже широко используются для изготовления изделий сложной формы из пластмасс, металлов и сплавов. Также существуют разработки 3D получения керамики с использованием лазерного нагрева, среди которых следует выделить получение керамики из карбида кремния, оксидов алюминия и титана. Однако, при таком способе нагрева высока вероятность трещинообразования из-за высоких термических градиентов. И при получении керамики сложного состава, особенно содержащей легколетучие компоненты, чрезвычайно трудно обеспечить заданный стехиометрический состав из-за высокой температуры обработки. Альтернативой лазерному способу нагрева является нагрев электронными пучками, перспективность которого определяется отсутствием остаточных механических напряжений, вызываемых градиентом температур между охлажденными и горячими слоями, а также меньшим энергопотреблением. Однако на сегодняшний день существуют только принтеры, основанные на электронно-лучевой наплавки металлических изделий. В связи с этим разработка аддитивных технологий получения высокоплотных керамических изделий с помощью нагрева электронными пучками является актуальной задачей современного материаловедения. Как было ранее установлено исполнителями проекта нагрев высокоэнергетическими электронными пучками порошковых компактов приводит к существенному увеличению скорости синтеза и спекания материалов, включая ферритовую и циркониевую керамик, при меньших температурах по сравнению с традиционным термическим нагревом. Эффективность данного способа нагрева резко увеличивается, если исходные ферритовые порошки предварительно подвергаются механической активации в планетарной мельнице. При этом реализуется синергетический эффект получения объемных керамических материалов, гомогенных по фазовому составу и имеющих более высокую плотность и меньшую пористость. Однако в случае получения высокоплотной керамики требуется предварительное прессование образцов в компакты, что недопустимо для прямого использования разработанных технологических приемов в аддитивных технологиях получения керамических изделий. Цель настоящего проекта заключается в получении высококачественной ферритовой и циркониевой керамики высокой плотности при совместном использовании методов механической активации порошков, синтеза и спекания при нагреве электронным пучком, и разработка научно-технических основ эффективной аддитивной технологии получения оксидной керамики электронно-пучковым методом нагрева, не имеющей аналогов в современном мире. С целью разработки оптимальной технологии получения оксидной керамики, основанной на выборочном (селективном) или прямом электронно-пучковом спекании, в работе будет использовано два подхода для формирования тонких слоев керамики, включая способ прямой насыпки порошка и экструзивное нанесение пасты, изготовленной на основе исходных реагентов и связующих веществ. При этом для спекания тонких керамических слоев будут использоваться пучки высокоэнергетических электронов. Результаты, полученные при выполнении данного проекта, будут обладать абсолютной научной новизной, так как на сегодняшний день не существует аддитивной технологии получения оксидной керамики с помощью нагрева электронными пучками. В качестве объекта исследования выбраны ферриты литиевый группы и керамика на основе диоксида циркония, так как участниками проекта накоплен большой опыт по синтезу (ферриты) и спеканию (ферриты, циркониевая керамика) данных материалов, как традиционным способом нагрева, так и в пучке высокоэнергетических электронов. К тому же данные керамические материалы широко используются в микроволновой технике, литий-ионных аккумуляторах, газовых сенсорных датчиках (ферриты) и как инструментальная и функциональная керамика широкого спектра применения, включая катализ, биомедицину, газовые сенсоры и т.д. (циркониевая керамика).