Доступ открыт Открытый доступ  Доступ закрыт Только для подписчиков

Высокоплотная микро- и нанозернистая керамика. Переход открытых пор в закрытые. Часть 1. Подготовка порошка, формовочной массы, формование


https://doi.org/10.17073/1683-4518-2019-11-49-58

Полный текст:




Аннотация

На основании накопленных в литературе данных предложено объяснение процессов, происходящих при получении высокоплотной микро- и нанозернистой керамики без применения внешнего давле ния. Известно, что рост пор начинается после начала перехода открытых пор в закрытые, который начинается примерно при 30 %-ной открытой пористости. Необходимо сохранить открытые поры до максимально возможной общей плотности спекаемой керамики. Этого можно добиться, замедляя различными методами образование областей локальных уплотнений (неравноплотности образцов). Сохранению открытых пор способствует такое замедление скорости усадки, при котором реализуется самосогласованное уплотнение локальных уплотнений и окружающих их менее плотных зон. Реализовать такой режим можно разными способами: снижением активности частиц порошка (предварительная термообработка порошка, предварительное низкотемпературное спекание ― пресинте ринг), применением добавок, замедляющих усадку (получение прозрачной керамики без внешнего давления), на стадиях подготовки формовочной массы, формования заготовок, удаления связки, ре гулированием скорости нагрева образца (спекание с регулируемой скоростью усадки), длительным спеканием при относительно низкой температуре при двухступенчатом спекании. Это часть 1 серии, включающей 3 статьи.

Об авторе

А. В. Беляков
ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет имени Д. И. Менделеева»
Россия
д. х. н.
Москва


Список литературы

1. Бакунов, В. С. К вопросу об анализе структуры в керамике / В. С. Бакунов, А. В. Беляков // Неорган. материалы. ― 1996. ― Т. 32, № 2. ― С. 243‒248. [Bakunov, V. S. Analysing the structure of ceramics / V. S. Bakunov, A. V. Belyakov // Inorganic Mater. ― 1996. ― Vol. 32, № 2. ― P. 220‒222.]

2. Lin, F. J. T. Microstructure refinement of sintered alumina by a two-step sintering technique / F. J. T. Lin, L. C. De Jonghe, M. N. Rahaman // J. Am. Ceram. Soc. ― 1997. ― Vol. 80, № 9. ― P. 2269‒2277.

3. Лукин, Е. С. Современная высокоплотная оксидная керамика с регулируемой микроструктурой. Ч. III: Микроструктура и процессы рекристаллизации в керамических оксидных материалах / Е. С. Лукин // Огнеупоры и техническая керамика. ― 1996. ― № 6. ― С. 2‒9. [Lukin, E. S. Modern high-density oxide ceramics. Part III. Microstructure and recrystallization processes in ceramic oxide materials / E. S. Lukin // Refract. Ind. Ceram. ― 1996. ― Vol. 37, № 6. ― P. 177‒184.]

4. Беляков, А. В. Главные бифуркации при обжиге плотной оксидной керамики / А. В. Беляков // Стекло и керамика. ― 2000. ― № 10. ― С. 13‒17. [Belyakov, A. V. Principal bifurcations in firing of compact oxide ceramics / A. V. Belyakov // Glass and Ceramics. ― 2000. ― Vol. 57, № 10. ― P. 345‒349.]

5. Joesten, R. A. Diffusion сompensation relation for normal grain growth and grain-boundary diffusion of oxigen in oxides / R. A. Joesten // J. Am. Ceram. Soc. ― 1985. ― Vol. 68, № 2. ― P. C62‒C64.

6. Беляков, А. В. Локальные уплотнения при спекании керамики и воспроизводимость структуры / А. В. Беляков, Е. А. Брыгина // Стекло и керамика. ― 1998. ― № 10. ― С. 10‒13. [Belyakov, A. V. Local compaction areas in sintering of ceramics and structural reproducibility / A. V. Belyakov, E. A. Brygina // Glass and Ceramics. ― 1998. ― Vol. 55, № 9. ― P. 307‒309.]

7. Беляков, А. В. Определение локальных уплотне ний в прессовках / А. В. Беляков, А. С. Енько // Стекло и керамика. ― 1999. ― № 12. ― С. 19‒22. [Belyakov, A. V. Identification of local compactions in ceramics / A. V. Belyakov, A. S. Yen`ko // Glass and Ceramics. ― 2000.― Vol. 56, № 11/12. ― P. 389‒392.]

8. Лукин, Е. С. Спекание и формирование микро структуры оптически прозрачной поликристаллической оксидной керамики / Е. С. Лукин, Т. В. Ефимовская, А. В. Беляков [и др.] // Тр. МХТИ им. Д. И. Менделеева. ― 1983. ― Вып. 128. ― С. 47‒54.

9. Wei Chen, I. Sintering dense nanocrystalline ceramics without final-stage grain growth / I.-Wei Chen, X.-H. Wang // Nature. ― 2000. ― Vol. 404, № 6774. ― P. 168‒171.

10. Беляков, А. В. Химия дефектов и неравновесность при получении беспористой мелкокристаллической оксидной керамики / А. В. Беляков // Стекло и керамика. ― 1999. ― № 4. ― С. 13‒15. [Belyakov, A. V. Chemistry of defects and nonequilibrium in the production of poreless finely crystallize oxide ceramics / A. V. Belyakov // Glass and Ceramics. ― 1999. ― Vol. 56, № 4. ― P. 108‒110.]

11. Беляков, А. В. Синергетический и квазихимиче ский подходы в технологии керамики / А. В. Беляков // Стекло и керамика. ― 2003. ― № 9. ― С. 21‒27. [Belyakov, A. V. Synergetic and quasichemical approaches in ceramic technology (a review) / A. V. Belyakov // Glass and Ceramics. ― 2003. ― Vol. 60, № 9/10. ― P. 274‒279.]

12. Беляков, А. В. Эволюция структуры в переделах технологии керамики / А. В. Беляков, В. С. Бакунов // Новые огнеупоры. ― 2006. ― № 1. ― С. 56‒61. [Belyakov, A. V. Structural evolution in ceramic technology and processing / A. V. Belyakov, V. S. Bakunov // Refract. Ind. Ceram. ― 2006. ‒ Vol. 47, № 1. ― P. 48‒52.]

13. Беляков, А. В. Эволюция структуры в переделах технологии керамики / А. В. Беляков, В. С. Бакунов // Новые огнеупоры. ― 2006. ― № 2. ― С. 55—62. [Belyakov, A. V. Structural evolution in ceramic technology and processing / A. V. Belyakov, V. S. Bakunov // Refract. Ind. Ceram. ― 2006. ― Vol. 47, № 2. ― P. 110‒115.]

14. Беляков, А. В. Причины аномального роста кристаллов при спекании керамики после начала образования закрытых пор / А. В. Беляков // Стекло и керамика. ― 2007. ― № 1. ― С. 16‒20. [Belyakov, A. V. Causes of anomalous crystal growth in sintering ceramics after formation of closed pores began / A. V. Belyakov // Glass and Ceramics. ― 2007. ― Vol. 64, № 1/2. ― P. 17‒21.]

15. Vasylkiv, O. Nano-blast synthesis of nano-size CeO2 Gd2O3 powders / O. Vasylkiv, Y. Sakka, V. V. Skorokhod // J. Am. Ceram. Soc. ― 2006. ― Vol. 89, № 6. ― P. 1822‒1826.

16. Лукин, Е. С. Современная высокоплотная оксидная керамика с регулируемой микроструктурой. Ч. V. Плотная химически стойкая керамика на осно ве оксидов иттрия, скандия и алюминия / Е. С. Лукин // Огнеупоры и техническая керамика. ― 1997. ― № 1. ― С. 2‒7. [Lukin, E. S. Modern high-density oxide-based ceramics with a controlled microstructure. Part V. Chemical-resistant high-density yttria-, scandia-, and alumina-based ceramics / E. S. Lukin // Refract. Ind. Ceram. ― 1997. ― Vol. 38, № 3. ― P. 87‒95.]

17. Yang, J. Recent developments in gelcasting of ceramics / J. Yang, J. Yu, Y. Huang // J. Eur. Ceram. Soc. ― 2011. ― Vol. 31. ― P. 2569‒2591.

18. Moritz, T. Ceramic injection moulding: a review of developments in production technology, materials and applications / T. Moritz, R. Lenk // Powder Injection Moulding International. ― 2009. ― Vol. 3, № 10. ― P. 23‒34.

19. Heaney, D. F. Handbook of metal injection molding ; ed. by D. F. Heaney. ― Camdrige : Woodhead Publishing Ltd, 2012. ― 601 p.

20. Bloemacher, M. CATAMOLD TM ― a new direction for powder injection molding / M. Bloemacher, D. Weinand // J. Mater. Process. Technol. ― 1997. ― Vol. 63. ― P. 918‒922.

21. Yang, S. Bulk observation of aluminum green compacts by way of X-ray tomography / S. Yang, W. Fang, Y. Chi [et al.] // Nuclear Instruments and Methods. Physics Research. Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. ― 2015. ― Vol. 319. ― P. 146‒153.

22. Cottrino, S. Characterization by X-ray tomography of granulated alumina powder during in situ die compaction / S. Cottrino, Y. Jorand, E. Maire [et al.] // Mater. Charact. ― 2013. ― Vol. 81. ― P. 111‒123.

23. Pat. 6919041 USA. Method for compacting powder materials into articles and a mold for implementing the method / Dvilis E., Khasanov O., Sokolov V. Assignee ; Tomsk Polytechnic University ; filed 16.12.2002 ; pub. 19.07.2005.

24. Fu, Y. Weibull distribution of the fracture strength of 99 % alumina ceramic reshaped by cold isostatic pressing / Y. Fu, Z. Tao, X. Hou // Ceram. Int. ― 2014. ― Vol. 40, № 6. ― P. 7661‒7667.

25. He, W. Numerical simulation of cold isostatic pressed alumina parts produced by selective laser sintering and part shape optimization / W. He, Q. Wei, K. Liu [et al.] // Ceram. Int. ― 2013. ― Vol. 39, № 8. ― P. 9683‒9690.

26. Тимохова, М. И. Этапы развития и внедрения в производство способа квазиизостатического прессо вания / М. И. Тимохова // Новые огнеупоры. ― 2009. ― № 10. ― С. 20‒24. [Timokhova, M. I. Development stages and introduction into series production of a quasi-isostatic production method / M. I. Timokhova // Refract. Ind. Ceram. ― 2009. ― Vol. 50, № 5. ― P. 340‒343.]

27. Букаемский, А. А. Взрывное компактирование и низкотемпературное спекание нанопорошков оксида алюминия / А. А. Букаемский, Е. Н. Фёдорова // Физика горения и взрыва. ― 2008. ― Т. 44, № 6. ― С. 114‒126. [Bukaemskii, A. A. Explosive compaction and lowtemperature sintering of alumina nanopowders / A. A. Bukaemskii, E. N. Fedorova // Combustion, Explosion, and Shock Waves. ― 2008. ― Vol. 44, № 11. ― P. 717‒728.]

28. Generalov, M. B. Dynamic compaction of powder materials by percussive and percussive-vibratory devices / M. B. Generalov // Chemical and Petroleum Engineering. ― 2000. ― Vol. 36, № 11. ― P. 701‒708.

29. Khasanov, O. L Ceramik powders dry compaction under ultrasound action / O. L. Khasanov, E. S. Dvilis, V. M. Soкolov [et al.] // Key Eng. Mater. ― 2004. ― Vol. 264‒268. ― P. 241‒244.

30. Bokov, A. A. Uniaxial compaction of nanopowders on a magnetic-pulse press / A. A. Bokov, G. Sh. Boltachev, N. B. Volkov [et al.] // Technical Physics. ― 2013. ― Vol. 58, № 10. ― P. 1459‒1468.

31. Dvilis, E. S. Design of ultrasonic and collector molds for industrial technology of the uniaxial dry pressing of ceramic powders / E. S. Dvilis, O. L. Khasanov, P. Chartpuk // 10th International Symposium on Ceramic Materials and Components for Energy and Environmental Applications. Fraunhofer Institute for Ceramic Technologies and Systems IKTS, Germany. ― 2012. ― P. 80, 81.

32. Mutsuddy, B. C. Ceramic injection molding / B. C. Mutsuddy, R. G. Ford. ― London, GB : Chapman & Hall, 1995. ― 368 p.

33. Wang, J. Some critical issues for injection molding ; ed. by Dr. Jian Wang. ― Croatia : Pub. by InTech, 2012. ― 270 p.

34. Attia, U. M. A review of micro-powder injection moulding as a microfabrication technique / U. M. Attia, J. R. Alcock // J. of Micromechanics and Microengineering. ― 2011. ― Vol. 21, № 4. ― 043001. (22 p.).

35. Yin, H. Micro powder injection molding ― large scale production technology for micro-sized components / H. Yin, C. Jia, X. Qu // Sci. China. Ser. E. Technol. Sci. ― 2008. ― Vol. 51. ― P. 121‒126.

36. German, R. M. Medical and dental applications for microminiature powder injection moulding (microPIM) ― a roadmap for growth / R. M German // PIM Int. ― 2009. ― Vol. 3. ― P. 21‒29.

37. Ruprecht, R. Injection molding of microstructured components from plastics, metals and ceramics / R. Ruprecht, T. Gietzelt, K. Miiller [et al.] // Microsyst. Technol. ― 2002. ― Vol. 8. ― P. 351‒358.

38. Baek, E. R. Effect of particle size in feedstock properties in micro powder injection molding / E. R. Baek, S. Supriadi, C.-J. Choi [et al.] // Mater. Sci. Forum. ― 2007. ― Vol. 534‒536. ― P. 349‒352.

39. Baltes, H. Advanced micro and nanosystems Vol. 3. Microengineering of metals and ceramics ; ed. by H. Baltes, O. Brand, G. K. Fedder [еt al.]. ― Weinheim : Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2005. ― 441 p.

40. Rak, Z. S. New trends in powder injection moulding / Z. S. Rak // Powder Metallurgy and Metal Ceramics. ― 1999. ― Vol. 38, № 3/4. ― P. 126‒132.

41. Checot-Moinard, D. Powder injection moulding PIM of feedstock based on hydrosoluble binder and submicronic powder to manufacture parts having microdetails / D. Checot-Moinard, C. Rigollet, P. Lourdin // Powder Technol. ― 2010. ― Vol. 208. ― P. 472‒479.

42. Young, A. C. Gelcasting of Alumina / A. C. Young, O. O. Omatete, M. A. Janney [et al.] // J. Am. Ceram. Soc. ― 1991. ― Vol. 74, № 3. ― P. 612‒618.

43. Omatete, O. O. Gelcasting: from laboratory development toward industrial production / O. O. Omatete, M. A. Janney, S. D. Nunn // J. Eur. Ceram. Soc. ― 1997. ― Vol. 1, № 2/3. ― P. 407‒413.

44. Tari, G. Gelcasting ceramics: а review / G. Tari // Am. Ceram. Soc. Bull. ― 2003. ― Vol. 82, № 4. ― P. 43‒57.

45. Takai, C. Control of high solid content yttria slurry with low viscosity for gelcasting / C. Takai, M. Tsukamoto, M. Fuji [et al.] // J. Alloys Compd. ― 2006. ― Vol. 408‒412. ― P. 533‒537.

46. Jamalabad, V. R. Gelcast molding with rapid prototyped fugitive molds / V. R. Jamalabad, P. J. Whalen, J. Pollinger [et al.] // Proceedings of the Solid Freeform Fabrication Symposium, The University of Texas at Austin, Austin, TX, Aug. 12‒14. ― 1996. ― P. 71‒78.

47. Bocanegra-Bernal, M. H. Dense and near-net-shape fabrication of Si3 N 4 ceramics / M. H. Bocanegra-Bernal, B. Matovic // Mater. Sci. Eng. A. ― 2009. ― Vol. 500, № 1/2. ― P. 130‒149.

48. Janssen, R. Tailor-made ceramic-based components ― advantages by reactive processing and advanced shaping techniques / R. Janssen, S. Scheppokat, N. Claussen // J. Eur. Ceram. Soc. ― 2008. ― Vol. 28, № 7. ― P. 1369‒1379.

49. Santacruz, I. Improved green strength of ceramics through aqueous gelcasting / I. Santacruz, C. Baudin, R. Moreno [еt al.] // Adv. Eng. Mater. ― 2004. ― Vol. 6, № 8. ― P. 672‒676.

50. Janney, M. A. Development of low toxicity gelcasting systems / M. A. Janney, O. O. Omatete, C. A. Walls [et al.] // J. Am. Ceram. Soc. ― 1998. ― Vol. 81, № 3. ― P. 581‒591.

51. Janney, M. A. Gelcasting / M. A. Janney, S. D. Nunn, C. A. Walls [et al.]. The Handbook of Ceramic Engineering ; ed. by M. N. Rahman. New York : Marcel Dekker, 1998. ― P. 1‒15.

52. Huha, M. A. Polymer effects on the chemorheological and drying behavior of alumina-poly(vinyl alcohol) gelcasting suspensions / M. A. Huha, J. A. Lewis // J. Am. Ceram. Soc. ― 2000. ― Vol. 83, № 8. ― P. 1957‒1963.

53. Morissette, S. L. Solid freeform fabrication of aqueous alumina-poly(vinyl alcohol) gelcasting suspensions / S. L. Morissette, J. A. Lewis, J. Cesarano [et al.] // J. Am. Ceram. Soc. ― 2000. ― Vol. 83, № 10. ― P. 2409‒2416.

54. He, X. Gelcasting of alumina ceramics using an egg white protein binder system / X. He, B. Su, X. Zhou // Ceramics ‒ Silikáty. ― 2011. ― Vol. 55, № 1. ― P. 1‒7.

55. Dhara, S. Egg white as an environmentally friendly low-cost binder for gelcasting of ceramics / S. Dhara, P. Bhargava // J. Am. Ceram. Soc. ― 2001. ― Vol. 84, № 12. ― P. 3048‒3050.

56. Millan, A. J. Near-net shaping of aqueous alumina slurries using carrageenan / A. J. Millan, R. Moreno, M. I. Nieto // J. Eur. Ceram. Soc. ― 2002. ― Vol. 22, № 3. ― P. 297‒303.

57. Lyckfeldt, O. Protein forming — a novel shaping technique for ceramics / O. Lyckfeldt, J. Brandt, S. Lesca // J. Eur. Ceram. Soc. ― 2000. ― Vol. 20, № 14/15. ― P. 2551‒2559.

58. Adolfsson, E. Gelcasting of zirconia using agarose / E. Adolfsson // J. Am. Ceram. Soc. ― 2006. ― Vol. 89, № 6. ― P. 1897‒1902.

59. Liu, D. M. Control of yield stress in low-pressure ceramic injection moldings / D. M. Liu // Ceram. Int. ― 1999. ― Vol. 25, № 7. ― P. 587‒592.

60. Yang, J. L. Colloidal injection moulding of ceramics / J. L. Yang, L. Su, L. G. Ma // Key Eng. Mater. ― 2002. ― Vol. 224/226. ― P. 667‒672.

61. Huang, Y. Improving the homogeneity and reliability of ceramic parts with complex shapes by pressureassisted gel-casting / Y. Huang, L. G. Ma, H. R. Le // Mater. Lett. ― 2004. ― Vol. 58, № 30. ― P. 3893‒3997.


Дополнительные файлы

Для цитирования: Беляков А.В. Высокоплотная микро- и нанозернистая керамика. Переход открытых пор в закрытые. Часть 1. Подготовка порошка, формовочной массы, формование. Новые огнеупоры. 2019;(11):49-58. https://doi.org/10.17073/1683-4518-2019-11-49-58

For citation: Belyakov A.V. High-density micro- and nanogranular ceramics. Transition of open pores to closed ones. Part 1. Preparation of powder, molding material, molding. NOVYE OGNEUPORY (NEW REFRACTORIES). 2019;(11):49-58. (In Russ.) https://doi.org/10.17073/1683-4518-2019-11-49-58

Просмотров: 280

Обратные ссылки

  • Обратные ссылки не определены.


ISSN 1683-4518 (Print)