УРАН ИХТРЭМС КНЦ РАН
М. Н. Палатников, зав. лабораторией, e-mail: palat_mn@chemy.kolasc.net.ru.
Институт проблем материаловедения им. И. Н. Францевича НАНУ
А. А. Фролов, ст. науч. сотр.;
Е. Г. Киркова, науч. сотр.
УРАН ИХТРЭМС КНЦ РАН
О. Б. Щербина, науч. сотр.;
Н. В. Сидоров
В настоящей работе на примере тугоплавких керамических пентаоксидов тантала и ниобия исследовано влияние обработки концентрированным световым потоком на механические, спектральные свойства и стойкость к тепловым ударам в широкой области температур. Рассмотрены физико-химические аспекты, обусловливающие создание новых слоистых керамических материалов и возможность повышения термостойкости изделий из них. Разработаны физико-химические принципы создания контейнеров для термохимической обработки высокочистых соединений, обладающих сверхвысокой стойкостью к тепловым ударам в широкой области температур. Математическое моделирование распределения напряжений в слоистом керамическом материале с основой из кварцевой керамики и двухсторонним защитным покрытием из пентаоксида ниобия (тантала) выявило, что разделение слоя основы на фрагменты (уменьшение площади непрерывной границы между слоями) и сглаживание острых углов у фрагментов основы приводят к снижению напряжений на границе раздела между основой и покрытием и, соответственно, к повышению термостойкости образцов. Показано, что только совокупное применение технологических приемов (использование слоистой керамики, подбор материала основы и покрытия, обработка материала покрытия концентрированным световым потоком с формированием микро- и наноструктур фрактального типа и образованием частично островной кристаллической структуры пентаоксида ниобия (тантала), демпфирующих тепловое расширение, разбиение материала основы на фрагменты со сглаженными углами, возникновение анизотропии механических свойств по глубине материала покрытия) имеет синергетический эффект и позволяет создавать керамические контейнеры с высокой стойкостью к тепловым ударам в широком диапазоне температур (tкомн÷1000 оС).
Работа поддержана грантами РФФИ (09-03-00141-а) и НШ 6722.2010.3.
1. Степин Б. Д., Горштейн И. Г., Блюм Г. Э., Курдюмов Г. М., Оглоблина И. П. Методы получения особо чистых веществ. — Л. : Химия, 1969. — 480 с.
2. Стрелов К. К. Структура и свойства огнеупоров. — М. : Металлургия, 1982. — 215 с.
3. Фролов А. А. О возможности повышения термостойкости слоистых керамических материалов // Огнеупоры и техническая керамика. 2004. № 7. С. 13–17.
4. Фролов А. А. Организация макроструктуры слоистой керамики с целью получения изделий повышенной термостойкости // Новые огнеупоры. 2004. № 9. C. 52–55.
5. Palatnikov M., Shcherbina O., Frolov A., Makarova О., Chufyrev P. Formation of Fractal Micro- and Nano-Structures in Ceramic Tantalum Pentoxide Under Concentrated Flux of Light and Their Effect on Thermal Expansion // Integrated Ferroelectrics. 2009. Vol. 108, N 1. P. 89–97.
6. Палатников М. Н., Щербина О. Б., Фролов A. А., Павликов В. Н., Карпец М. В., Сидоров Н. В., Калинников В. Т. Влияние концентрированного светового потока на формирование микро-, наноструктур и тепловое расширение керамических Та2O5 и Nb2O5 // Неорганические материалы. 2010. Т. 46, № 6. С. 683–690.
7. Фролов А. А., Павликов В. Н., Карпец М. В. Тепловое расширение образцов пентаоксидов ниобия и тантала, полученных плавлением в оптической печи // Новые огнеупоры. 2007. № 4. С. 38–43.
8. Усеинов А. С. Измерение модуля Юнга сверхтвердых материалов с помощью сканирующего зондового микроскопа «НаноСкан» // Приборы и техника эксперимента. 2004. № 1. С. 961–973.
9. Manning W. R., Hunter Jr. O., Calderwood F. W., Stacy D. W. Thermal Expansion of Nb2O5 // J. the American Ceramic Society. 1972. Vol. 55, N 7. P. 342–347.
10. Kirkova O., Voynich E., Frolov A. Investigation of thermal shock resistance enhancement for layered ceramics with quartz substrate and two-sided niobium pentoxide coating using computer simulation // Proceed. of «The Eighth Students' Meeting», SM-2009 Processing and Application of Ceramics. — Novi Sad (Serbia), 2009. P. 54.
11. Кржижановский Р. Е., Штерн З. Ю. // Теплофизические свойства неметаллических материалов : справочник. — Л. : Энергия, 1978. — 333 с.
12. Фролов А. А., Павликов В. Н., Григорьев О. Н. Керамика с низким ТКЛР для нанесения защитного покрытия из Nb2O5 // Стекло и керамика. 2004. № 6. C. 21–23.
13. Цибин И. П., Рапорт Ю. М., Кузнецов А. Т., Кокушин И. В., Закражевский Н. Ф., Гогоци Г. А. Исследование термического разрушения огнеупоров с применением акустико-эмиссионного метода // Огнеупоры. 1984. № 7. C. 15–20.
14. Гогоци Г. А., Дроздов А. В., Радин Н. Н. Автоматизированная система исследования термостойкости керамических и огнеупорных материалов // Проблемы прочности. 1984. № 6. C. 111–113.
15. Войнич Е. В., Фролов А. А. Установка для сравнительной оценки термостойкости керамических образцов методом регистрации акустической эмиссии // Новые огнеупоры. 2009. № 5. С. 50–54.
16. Палатников М. Н., Щербина О. Б., Фролов А. А., Ефремов В. В., Сидоров Н. В. Воздействие концентрированных световых потоков на свойства и структуру керамического Nb2O5 // Неорганические материалы. 2011. Т. 47, № 5. С. 1–5.
17. Фролов А. А. Керамические материалы для получения высокочистых соединений ниобия и тантала // Стекло и керамика. 1992. № 7. С. 14–15.
18. Пивинский Ю. Е., Ромашин А. Г. Кварцевая керамика. — М. : Металлургия, 1974. — 213 c.