Фесенко Ігор Павлович. Технологічні та структурні закономірності вільного спікання кераміки на основі нітриду алюмінію

Краткое описание

Фесенко Ігор Павлович. Технологічні та структурні закономірності вільного спікання кераміки на основі нітриду алюмінію : Дис... д-ра наук: 05.02.01 2007

Фесенко І. П. Технологічні та структурні закономірності вільного спікання кераміки на основі нітриду алюмінію. Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за фахом 05.02.01 матеріалознавство. Спеціальність 05.02.01 матеріалознавство. Інститут надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля Національної академії наук України, Київ, 2007 р.
Захищаються наукові положення та результати дослідження отримання спіканням при нормальному тиску щільних AlN-матеріалів з високим рівнем механічних, електро- та теплофізичних властивостей, заданим рівнем поглинання мікрохвиль, які ґрунтуються на активації процесу ущільнення в результаті одночасної дії високих температур, розвинутої поверхні частинок нанодисперсного порошку, збільшенні густини дефектів і фрагментації частинок нанодисперсного порошку в результаті гідродинамічної обробки, дії активуючих фаз в системах мікронного порошку; які ґрунтуються на формуванні в матеріалах з нанодисперсного порошку зерен з високою густиною дислокацій і прошарками багатошарових політипів; ґрунтуються на зміні діелектричних властивостей матеріалу при введенні в керамічну матрицю частинок тугоплавких металів і металоподібних тугоплавких сполук. Визначені оптимальні технологічні схеми, які дають можливість одержувати деталі необхідних розмірів функціонального або конструкційного призначення з керамічних матеріалів на основі AlN.

В результаті виконаного дослідження розв’язана важлива науково-технічна проблема, яка полягає у встановленні закономірностей отримання вільним спіканням матеріалів на основі нітриду алюмінію з майже теоретичною густиною, високим рівнем теплопровідних, діелектричних та механічних властивостей, що має велике народногосподарське значення.
1. У роботі встановлено вплив технологічних чинників на мікроструктуру керамічного порошку AlN при розмелюванні. Показано, що диспергування частинок порошку проходить з різною швидкістю в залежності від енергонасиченості обладнання, тобто від величини потужності, яка припадає на одиницю ваги порошку, причому, частинки порошку, розмеленого у вібраційному млині, містять, в основному, скупчення дислокацій, а для розмеленого у планетарному активаторі характерні окремі дислокації, що свідчить про різний ступінь пластичної деформації частинок. Показано, що процес планетарного змішування порошку AlN з порошком молібдену забезпечує формування на поверхні металу шару окремих субмікронних частинок основної фази, що служить першим етапом одержання композитів з керамічною матрицею.
2. Встановлено структурно-морфологічні та теплофізичні закономірності одержання високощільного матеріалу з AlN при атмосферному тиску азоту без застосування технології гарячого пресування за умови активації процесу усадки. Показано, що така активація має місце:
при застосуванні нанодисперсних порошків за рахунок утворення активуючих фаз на розвинутій поверхні порошків;
при спіканні систем мікронних порошків AlN при утворенні шару рідкої фази оксинітриду алюмінію, а також дії таких активуючих фаз, як оксид та гідрид ітрію. Показано, що сполуки ітрію відіграють роль геттера в процесі спікання і очищують матричну фазу нітриду алюмінію від домішкового кисню. При цьому, теплопровідність полікристалічного матеріалу на основі нітриду алюмінію, одержаного вільним спіканням, значно вища в порівнянні з матеріалом, одержаним гарячим пресуванням без активаторів спікання.
3. Вперше методом наноіндентування експериментально визначено твердість, модуль пружності та параметр пластичності AlN в полікристалах різного структурного стану. Показано, що AlN є більш пластичним, ніж нітрид, карбід, диборид титану та карбід кремнію.
4. Обґрунтовано та доведено доцільність і ефективністьзастосуванняметоду вільного спікання в атмосфері азоту нанодисперсного порошку AlN плазмохімічного синтезу для одержання щільного самоармованого керамічного матеріалу при проходженні етапів: коалесценції частинок всередині агрегатів, перетворення агрегатів в монокристалічні зерна, переходу адсорбованого кисню в оксинітридну фазу, розчинення оксинітридної фази в зернах матричної фази з утворенням твердого розчину кисню в AlN, переходу твердий розчин багатошарові політипи, збірної рекристалізації і росту зерен пластинчатої форми.
5. Експериментально встановлено закономірності механічного руйнування з підвищенням температури кераміки з нанодисперсного AlN. Показано, що при кімнатній температурі з ростом густини посилюється тенденція кераміки до транскристалітного зламу, причому в щільній кераміці механізм руйнування змінюється з ростом температури від транскристалітного до інтеркристалітного.
6. Вперше встановлено вплив попередньої гідродинамічної обробки нанодисперсного AlN на структуру частинок порошку, що проявляється у високого рівні пластичної фрагментації частинок, причому їх середній розмір зменшується на порядок і більше. Показано, що процес спікання без тиску гідродинамічно активованих порошкових компактів протікає шляхом:
релаксації накопиченої енергії через пластичну деформацію,
формування зерен з високою густиною дислокацій,
утворення пластиноподібних прошарків багатошарових політипів,
в результаті чого утворюється структура, яка складається як з видовжених зерен, так і з зерен, що містять політипні прошарки та зони з високою густиною дислокацій, які зберігаються в процесі спікання.
7. Встановлено роль дисперсності порошку AlN при спіканні в умовах високих тисків. Показано, що при термобаричному спіканні нанодисперсного порошку як з ростом тривалості спікання при постійних тиску і температурі, так і з ростом температури при постійних тривалості і тиску проходить тільки укрупнення зерен, тобто збірна рекристалізація з центрами збірного росту на основі агрегатів вихідних частинок, які в результаті коалесценції стають монокристалічними. При термобаричному спіканні більш крупного порошку AlN завжди має місце первинна рекристалізація в сильно деформованих зернах, причому зародки рекристалізації утворюються на основі субзерен, які сформовані на стадії динамічного повернення.
8. Встановлено особливості зміни мікроструктури та властивостей при отриманні методом спікання при нормальному тиску щільних керамічних композитів на основі нітриду алюмінію. Ці зміни базуються на різниці ступеня ковалентності та температури плавлення основної фази нітриду алюмінію та додаткових фаз, і полягають в активації процесу ущільнення частинок основної фази в результаті одночасної дії високих температур і таких факторів як підвищення об’ємної та зернограничної дифузії в частинках основної фази завдяки збільшенню дефектності частинок в результаті попередньої ударно-стираючої обробки вихідного порошку, а також в результаті введення малої кількості активуючих добавок, що приводить до зростання ефективності масопереносу при спіканні в результаті утворення рідкої фази між частинками основної фази. Показано, що застосування експериментально визначених режимів вільного спікання частинок основної непровідної фази та модифікації цих технологічних режимів при введенні в склад композиту металоподібних тугоплавких сполук з вищою температурою плавлення дозволяють одержати гетерофазну структуру з рівномірно розподіленими зернами тугоплавкої фази в матриці нітриду алюмінію.
9.Експериментально встановлено величину порогу протікання в двофазних системах, які складаються з основної непровідної фази і провідних включень, які мають більший середній розмір, ніж зерна основної фази. Показано, що для композитів з діелектричною керамічною матрицею на основі AlN з добавками тугоплавких металів та металоподібних тугоплавких сполук поріг протікання складає 16,4-16,6 % (за об’ємом).
10. Встановлено, що діелектрична проникність композитів AlN-W та AlN-Mo на частоті 3,2 ГГц змінюється при збільшенні концентрації металу відповідно від 8,6 до 12,6 та від 14,0 до 25,0, причому тангенс діелектричних втрат зростає від 0,020 до 0,026 та від 0,018 до 0,024, відповідно. Показано, що композити на основі AlN, які містять металоподібні тугоплавкі сполуки TiN, TiC, TiB2характеризуються величиною діелектричної проникності у межах 9,8-23,7 на частоті 3,0 ГГц, причому найвище значення = 23,7 на частоті 3,0 ГГц має композит AlN-25% (за масою) TiN. Експериментально показано, що діелектричні властивості композитів на основі AlN слабо залежать від частоти електромагнітного поля в області частот 3-37 ГГц.
11. Розроблено технології спікання при нормальному тиску з порошкових заготовок, отриманих одновісним квазістатичним або гідродинамічним пресуванням, щільних керамічних композитів на основі AlN, що дозволяє виготовляти керамічні деталі складної форми з високим рівнем механічних, електро- те теплофізичних властивостей.
12. Одержаний діелектричний AlN матеріал з низькими діелектричними втратами впроваджено на Київському заводі «Радар» для виготовлення радіаторів надвисокочастотних транзисторів. Композитний матеріал AlN-Мо використовується в НДІ «ОРІОН» для виготовлення вакуумних електронних приладів типу ламп бігучої хвилі.