Труды КНЦ вып.4(ХИМИЯ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ) вып. 3/2020(11)

MECHANOSTRUCTURAL PROPERTIES OF AL 2 O 3 — ZrO 2 CERAMIC MATRIX COMPOSITES REINFORCED WITH POLYCRYSTALLINE FIBERS BASED ON Al 2 O 3 G. I. Deynega, E. S. Lukin, N. A. Popova, D. O. Efimova D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia Abstract The article considers the production of composite materials in the Al 2 O 3 — ZrO 2 system by free and vacuum sintering methods, as well as the effect of the introduction of an additive of polycrystalline fibers based on Al 2 O 3 on the strengthening of the composites. Keywords: polycrystalline fibers, composite, aluminum oxide, zirconium dioxide Al 2 O 3 , ZrO 2 . В современном мире развитие техники и науки требует создания новых перспективных материалов, обладающих высокими показателями ключевых свойств и более совершенной структурой. Данные требования напрямую относятся к таким материалам, как полимеры, стекло, металлы, керамика, а также к композитам на их основе. Благодаря возможности сочетания сильных сторон компонентов композиционные материалы являются наиболее перспективными и находят широкое применение в технике и промышленности. Композиционные материалы на основе металлических матриц зачастую не обладают необходимой прочностью и имеют высокую удельную плотность, а композиционные материалы на основе матриц из стекла и полимеров легко размягчаются и теряют свои высокие механические характеристики при воздействии высоких температур. Таким образом, композиты на основе керамических матриц, способные стабильно работать при высоких температурах и обладающие химической инертностью, низкой плотностью, высокими механическими характеристиками, а также широкой базой сырья для их изготовления, являются более перспективными и экономически выгодными материалами. До настоящего времени керамика из окиси алюминия (Al 2 O 3 ) остается наиболее популярным керамическим материалом, что объясняется превосходным соотношением высоких эксплуатационных свойств и низкой стоимости [1]. Благодаря сочетанию высоких показателей механических характеристик, электрофизических свойств, высокой температуры плавления и химической стойкости материалы на основе Al 2 O 3 находят широкое применение в технике и промышленности. Однако недостатком алюмооксидной керамики является низкая вязкость разрушения. Один из способов решения данной проблемы — введение в структуру армирующих компонентов (волокон, частиц, второй фазы), в частности поликристаллических волокон на основе Al 2 O 3 , а также ZrO 2 . Добавка поликристаллических волокон на основе Al 2 O 3 благодаря высокому коэффициенту упругости (400 ГПа) [2] создает непрерывные растягивающие структуры, повышающие вязкость разрушения материала. Применение в качестве второй фазы ZrO 2 оказывает положительное влияние на прочностные характеристики материалов, механические свойства композитов увеличиваются до 100 % [3]. В настоящей работе исследовано влияние добавки ZrO 2 и поликристаллических волокон на основе Al 2 O 3 на прочностные свойства алюмооксидной керамики. Порошок a-ANO ;, получен методом термолиза порошка гиббсита (AlOH 3 ). Порошок t -ZrO 2 (3 % мол. Y 2 O 3 ) получен методом гетерофазного осаждения и дальнейшего смешивания гидроксида с солью стабилизатора. Поликристаллические волокна на основе Al 2 O 3 изготовлены по текстильной технологии с дальнейшей высокотемпературной обработкой при 1550 °С. Композиционный материал синтезирован методами свободного и вакуумного спекания в температурном интервале 1550-1750 °С с шагом 100 °С. Предварительное смешивание исходных компонентов матрицы производилось на планетарной мельнице в среде спирта. Смешивание матрицы и армирующих элементов производилось в водной среде на валковой мельнице. Были приготовлены следующие составы: 70 % Al 2 O 3 — 30 % ZrO 2 и 80 % Al 2 O 3 — 20 % ZrO 2 с содержанием волокна в количестве от 5,10 и 15 %. Формование образцов производилось методом одноосного двустороннего прессования. Образцы изготовлены в виде балочек (6 х 6 х 40 мм) и дисков ( d = 20 мм, h = 5 мм). Композиционный материал, синтезированный методом свободного спекания, обладает низкой плотностью, высокой пористостью (20 %) и низкой механической прочностью (< 150 МПа). Композиты, полученные методом вакуумного спекания, имеют низкие значения пористости (< 1 %), высокую плотность (4,3 г/см3) и повышенную механическую прочность (400 МПа). Наиболее высокие показатели механической прочности и плотности получены на материале, синтезированном методом спекания в вакууме при температуре 1650 °С. Основные физико-механические свойства 55