Введение

Современное состояние и развитие технологии керамики и прежде всего технологии высококачественных порошков, как сырьевых материалов, так и добавок, а также теории спекания показывают, что далеко не исчерпаны возможности создания на основе оксидов и их соединений новых видов керамики, в том числе на основе оксида алюминия. Разработка новых технологических решений, принципов подбора необходимых порошков способствуют созданию новых по качеству материалов и расширению областей их применения.

Керамические материалы на основе оксида алюминия широко используются в различных областях промышленности, что обусловлено особым комплексом свойств - высокие температура эксплуатации, прочность, термостойкость и износостойкость, химическая стойкость.

При создании керамик различного функционального назначения основным требованием является получение материала с заданной структурой с оптимальными физико-механическими свойствами. Можно выделить несколько перспективных проблем материаловедения, возникающих при разработке таких материалов. Например, существует проблема при получении катализаторов для доокисления выхлопных газов в двигателях внутреннего сгорания, которая заключается в создании активного поверхностного слоя из метастабильных модификаций оксида алюминия, способного работать при температурах до 900°С. Использование нанокристаллических керамических порошков открывает принципиально новые возможности при создании катализаторов за счет запасенной избыточной поверхностной энергии, по сравнению с крупнокристаллическими порошками, которая может привести к изменению температурных интервалов фазовых переходов.

Другой проблемой является создание мембран и фильтрующих керамических элементов с многослойной структурой с высокими прочностными свойствами. Одним из решений этой проблемы может стать использование нанокристаллических порошков, в процессе спекания которых, происходит формирование особых многозеренных нанокристаллических структур с высокой прочностью связи на границах зерен, составляющих керамический каркас, в результате чего увеличивается прочность всего материала. Создание керамик на основе наноструктурных порошков и их смесей с крупнокристаллическими порошками, позволит направленно формировать структуру керамических материалов без использования таких вспомогательных технологических приемов, как введение пено- и порообразователей, которые, как правило, отрицательно сказываются на прочностных свойствах керамики.

Таким образом, разработка единого подхода, который позволял бы создавать керамические материалы с заданной структурой и свойствами при различном соотношении крупно- и нанокристаллических порошков в исходной смеси является актуальной задачей. В этом случае будет обеспечено эффективное практическое применение керамик на их основе.

Установлено, что в плазмохимическом порошке Аl₂О₃ наблюдается сохранение большого содержания метастабильных модификаций до высоких температур, а затем в узком интервале (-1150- 1200°С) происходит резкий переход в ромбоэдрическую решетку, который носит «взрывной» характер и в процессе спекания приводит к активации диффузии.

Показано, что в керамических материалах на основе оксида алюминия с различным соотношением крупно- и нанокристаллических порошков основная часть дефектов расположена по границам зерен. При увеличении содержания плазмохимического порошка в исходной смеси порошков, после спекания в керамике с пористостью около 50%, происходит смена характера поровой структуры от изолированных пор и поровых кластеров к структуре, состоящей из двух взаимопроникающих компонент вещество-пора. Это сопровождается резким ростом микроискажений кристаллической решетки.

Установлено, что в процессе спекания исследуемых керамик преобладает диффузия по границам зерен, независимо от соотношения крупно- и нанокристаллических порошков в исходной смеси. Увеличение содержания нанокристаллического порошка оксида алюминия в исходной смеси порошков приводит к смене механизмов уплотнения в процессе спекания, и, как следствие, становится возможным получение контролируемой усадки спекаемого материала, вплоть до безусадочного синтеза керамики.