Электроимпульсное плазменное спекание прозрачной керамики из алюмомагниевой шпинели с повышенным фактором формы
| Parent link: | Вестник Томского государственного университета. Химия/ Национальный исследовательский Томский государственный университет (ТГУ).— .— Томск: Изд-во ТГУ № 33.— 2024.— С. 103-118 |
|---|---|
| Altri autori: | , , , , , , , , , |
| Riassunto: | Заглавие с экрана Алюмомагниевая шпинель является перспективным прозрачным керамическим материалом. Она может быть использована в качестве прозрачной брони, окон космических аппаратов, сканеров, оптических элементов в системах ночного видения, а также как основа (матрица) для сцинтилляционных и лазерных материалов. Широкий спектр применения керамики на основе MgAl2O4 обусловлен комплексом ее уникальных свойств. Исследования, направленные на создание прозрачных керамических материалов с повышенным фактором формы, актуальны и имеют высокую практическую значимость. В представленной работе выполнена комплексная характеризация коммерческого нанопорошка алюмомагниевой шпинели. Определены его основные структурные особенности. Реологические свойства нанопорошка в процессе его компрессионной и термической консолидации исследованы на основе положений механистической модели прессования аппроксимацией экспериментальных данных уплотнения при электроимпульсном плазменном спекании безразмерным уравнением логарифмической формы, графическое представление которого позволяет оценить возможность достижения беспористого состояния консолидируемого материала и проводить оптимизацию режимов электроимпульсного плазменного спекания. Показано, что построение поверхности уплотнения и отыскание оптимального пути повышения давления и температуры при электроимпульсном плазменном спекании на этой поверхности могут быть использованы для оптимизации режимов консолидации прозрачной керамики. Проведено верифицированное дискретно-элементное моделирование процессов упаковки и консолидации частиц нанопорошка алюмомагниевой шпинели. Модельные и натурные эксперименты показали, что выявленное сочетание температуры (1 300°C) и давления статической подпрессовки (100 МПа) является достаточным для получения бес-пористой структуры керамики и не приводит к избыточной рекристаллизации. Показано, что прозрачная керамика на основе алюмомагниевой шпинели с повышенным фактором формы может быть изготовлена методом электроимпульсного плазменного спекания при температуре 1 300°C и давлении статической подпрессовки 100 МПа. Оптические и механические свойства изготовленной прозрачной керамики сопоставимы с аналогами или превосходят их. Светопропускание образцов достигает 41% в видимой области спектра и 64% в инфракрасной области, значение микротвердости по Виккерсу составляет 15,6 ± 0,5 ГПа, трещиностой-кости - 4,4 ± 0,4 МПа, м1/2, предела прочности при сжатии - 1,37 ± 0,23 ГПа, коэффициента Пуассона - 0,26 ± 0,01, модуля Юнга - 278 ± 6 ГПа, модуля сдвига -110 ± 2 ГПа. Вклад авторов: все авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Magnesium aluminate spinel is a promising material for optical application. It can be used as transparent armor, spacecraft windows, scanners, optical elements in night vision systems, as well as a base (matrix) for scintillation and laser materials. The wide range of practical applications of MgAl2O4 ceramics is due to the complex of its unique properties. The research is aimed to creating transparent ceramic materials with an increased shape factor, relevant and of high practical importance. In the presented work, a comprehensive characterization of the commercial nanopowder of magnesium aluminate spinel is completed. Its main structural features are defined. Rheological properties of nanopowder in the process of its compression and thermal consolidation are investigated on the basis of the provisions of the mechanistic pressing model by approximating experimental data of compaction during spark plasma sintering with a dimensionless logarithmic equation, the graphical representation of which allows us to evaluate the possibility of achieving a non-porous state of the consolidated material and optimize the modes of spark plasma sintering. Shown, that the structure of the sealing surface and the search for the optimal way to increase pressure and temperature during spark pulse plasma sintering on this surface can be used to optimize the consolidation modes of transparent ceramics. Verified discrete element modeling of the processes of packing and consolidation of particles of magnesium aluminate spinel nanopowder has been performed. Model and field experiments have shown that the revealed combination of temperature (1300 °C) and static pressure (100 MPa) is sufficient to obtain a porous ceramic structure and does not lead to excessive recrystallization. It is shown that transparent ceramics based on magnesium aluminate spinel with an increased shape factor can be produced by spark plasma sintering at temperature of 1300 °C and static pressure of 100 MPa. The optical and mechanical properties of the manufactured transparent ceramics are comparable to their analogues. The light transmission of samples reaches 41% of the visible spectrum and 64% in the infrared spectrum, the Vickers microhardness value is 15.6±0.5 GPa, crack resistance is 4.4±0.4 MPa*m1/2, compressive strength is 1.37±0.23 GPa, Poisson's ratio is 0.26±0.01, Young's modulus - 278±6 GPa, shear modulus - 110±2 GPa. Contribution of the authors: the authors contributed equally to this article. The authors declare no conflicts of interests. Текстовый файл |
| Lingua: | russo |
| Pubblicazione: |
2024
|
| Soggetti: | |
| Accesso online: | https://www.elibrary.ru/item.asp?id=67224591 |
| Natura: | Elettronico Capitolo di libro |
| KOHA link: | https://koha.lib.tpu.ru/cgi-bin/koha/opac-detail.pl?biblionumber=672955 |
MARC
| LEADER | 00000naa0a2200000 4500 | ||
|---|---|---|---|
| 001 | 672955 | ||
| 005 | 20251118114349.0 | ||
| 090 | |a 672955 | ||
| 100 | |a 20240606d2024 k||y0rusy50 ca | ||
| 101 | 0 | |a rus | |
| 102 | |a RU | ||
| 135 | |a drcn ---uucaa | ||
| 181 | 0 | |a i |b e | |
| 182 | 0 | |a b | |
| 183 | 0 | |a cr |2 RDAcarrier | |
| 200 | 1 | |a Электроимпульсное плазменное спекание прозрачной керамики из алюмомагниевой шпинели с повышенным фактором формы |d Spark Plasma Sintering of Transparent Thick Magnesium Aluminate Spinel Ceramics |f Э. С. Двилис, О. Л. Хасанов, Д. Е. Деулина [и др.] |z eng | |
| 203 | |a Текст |c электронный |b визуальный | ||
| 283 | |a online_resource |2 RDAcarrier | ||
| 300 | |a Заглавие с экрана | ||
| 320 | |a Список источников.: 21 назв. | ||
| 330 | |a Алюмомагниевая шпинель является перспективным прозрачным керамическим материалом. Она может быть использована в качестве прозрачной брони, окон космических аппаратов, сканеров, оптических элементов в системах ночного видения, а также как основа (матрица) для сцинтилляционных и лазерных материалов. Широкий спектр применения керамики на основе MgAl2O4 обусловлен комплексом ее уникальных свойств. Исследования, направленные на создание прозрачных керамических материалов с повышенным фактором формы, актуальны и имеют высокую практическую значимость. В представленной работе выполнена комплексная характеризация коммерческого нанопорошка алюмомагниевой шпинели. Определены его основные структурные особенности. Реологические свойства нанопорошка в процессе его компрессионной и термической консолидации исследованы на основе положений механистической модели прессования аппроксимацией экспериментальных данных уплотнения при электроимпульсном плазменном спекании безразмерным уравнением логарифмической формы, графическое представление которого позволяет оценить возможность достижения беспористого состояния консолидируемого материала и проводить оптимизацию режимов электроимпульсного плазменного спекания. Показано, что построение поверхности уплотнения и отыскание оптимального пути повышения давления и температуры при электроимпульсном плазменном спекании на этой поверхности могут быть использованы для оптимизации режимов консолидации прозрачной керамики. Проведено верифицированное дискретно-элементное моделирование процессов упаковки и консолидации частиц нанопорошка алюмомагниевой шпинели. Модельные и натурные эксперименты показали, что выявленное сочетание температуры (1 300°C) и давления статической подпрессовки (100 МПа) является достаточным для получения бес-пористой структуры керамики и не приводит к избыточной рекристаллизации. Показано, что прозрачная керамика на основе алюмомагниевой шпинели с повышенным фактором формы может быть изготовлена методом электроимпульсного плазменного спекания при температуре 1 300°C и давлении статической подпрессовки 100 МПа. Оптические и механические свойства изготовленной прозрачной керамики сопоставимы с аналогами или превосходят их. Светопропускание образцов достигает 41% в видимой области спектра и 64% в инфракрасной области, значение микротвердости по Виккерсу составляет 15,6 ± 0,5 ГПа, трещиностой-кости - 4,4 ± 0,4 МПа, м1/2, предела прочности при сжатии - 1,37 ± 0,23 ГПа, коэффициента Пуассона - 0,26 ± 0,01, модуля Юнга - 278 ± 6 ГПа, модуля сдвига -110 ± 2 ГПа. Вклад авторов: все авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. | ||
| 330 | |a Magnesium aluminate spinel is a promising material for optical application. It can be used as transparent armor, spacecraft windows, scanners, optical elements in night vision systems, as well as a base (matrix) for scintillation and laser materials. The wide range of practical applications of MgAl2O4 ceramics is due to the complex of its unique properties. The research is aimed to creating transparent ceramic materials with an increased shape factor, relevant and of high practical importance. In the presented work, a comprehensive characterization of the commercial nanopowder of magnesium aluminate spinel is completed. Its main structural features are defined. Rheological properties of nanopowder in the process of its compression and thermal consolidation are investigated on the basis of the provisions of the mechanistic pressing model by approximating experimental data of compaction during spark plasma sintering with a dimensionless logarithmic equation, the graphical representation of which allows us to evaluate the possibility of achieving a non-porous state of the consolidated material and optimize the modes of spark plasma sintering. Shown, that the structure of the sealing surface and the search for the optimal way to increase pressure and temperature during spark pulse plasma sintering on this surface can be used to optimize the consolidation modes of transparent ceramics. Verified discrete element modeling of the processes of packing and consolidation of particles of magnesium aluminate spinel nanopowder has been performed. Model and field experiments have shown that the revealed combination of temperature (1300 °C) and static pressure (100 MPa) is sufficient to obtain a porous ceramic structure and does not lead to excessive recrystallization. It is shown that transparent ceramics based on magnesium aluminate spinel with an increased shape factor can be produced by spark plasma sintering at temperature of 1300 °C and static pressure of 100 MPa. The optical and mechanical properties of the manufactured transparent ceramics are comparable to their analogues. The light transmission of samples reaches 41% of the visible spectrum and 64% in the infrared spectrum, the Vickers microhardness value is 15.6±0.5 GPa, crack resistance is 4.4±0.4 MPa*m1/2, compressive strength is 1.37±0.23 GPa, Poisson's ratio is 0.26±0.01, Young's modulus - 278±6 GPa, shear modulus - 110±2 GPa. Contribution of the authors: the authors contributed equally to this article. The authors declare no conflicts of interests. | ||
| 336 | |a Текстовый файл | ||
| 461 | 1 | |t Вестник Томского государственного университета. Химия |f Национальный исследовательский Томский государственный университет (ТГУ) |c Томск |n Изд-во ТГУ | |
| 463 | 1 | |t № 33 |v С. 103-118 |d 2024 | |
| 610 | 1 | |a электронный ресурс | |
| 610 | 1 | |a труды учёных ТПУ | |
| 610 | 1 | |a MgAl2O4 | |
| 610 | 1 | |a прозрачная керамика | |
| 610 | 1 | |a дискретно-элементное моделирование | |
| 610 | 1 | |a электроимпульсное плазменное спекание | |
| 610 | 1 | |a физико-механические характеристики | |
| 701 | 1 | |a Двилис |b Э. С. |c химик-технолог |c старший научный сотрудник Томского политехнического университета, профессор, доктор физико-математических наук |f 1969- |g Эдгар Сергеевич |9 12457 | |
| 701 | 1 | |a Хасанов |b О. Л. |c физик, специалист в области наноматериалов |c профессор Томского политехнического университета, доктор технических наук |c директор Нано-Центра ТПУ, заведующий кафедрой наноматериалов и нанотехнологий |f 1958- |g Олег Леонидович |9 12140 | |
| 701 | 1 | |a Деулина |b Д. Е. |c специалист в области материаловедения |c инженер-исследователь Томского политехнического университета |f 1999- |g Дарья Евгеньевна |9 23100 | |
| 701 | 1 | |a Степанов |b С. А. |c специалист в области светотехники |c инженер Томского политехнического университета |f 1986- |g Сергей Александрович |9 14555 | |
| 701 | 1 | |a Шевченко |b И. Н. |c специалист в области материаловедения |c инженер Томского политехнического университета |f 1997- |g Иван Николаевич |9 22888 | |
| 701 | 0 | |a Хуан Фули | |
| 701 | 1 | |a Валиев |b Д. Т. |c специалист в области материаловедения |c доцент Томского политехнического университета, кандидат физико-математических наук |f 1987- |g Дамир Талгатович |9 14467 | |
| 701 | 1 | |a Толкачёв |b О. С. |c химик-технолог |c научный сотрудник Томского политехнического университета |f 1990- |g Олег Сергеевич |9 16390 | |
| 701 | 1 | |a Илела |b А. Э. |c специалист в области материаловедения |c ассистент кафедры Томского политехнического университета |f 1982- |g Алфа Эдисон |9 18276 | |
| 701 | 1 | |a Пайгин |b В. Д. |c специалист в области материаловедения |c инженер Томского политехнического университета |f 1992- |g Владимир Денисович |9 20805 | |
| 801 | 0 | |a RU |b 63413507 |c 20240606 |g RCR | |
| 856 | 4 | |u https://www.elibrary.ru/item.asp?id=67224591 |z https://www.elibrary.ru/item.asp?id=67224591 | |
| 942 | |c CF | ||