Высокотемпературные оксид-оксидные композиты тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.06, кандидат технических наук Толстун, Александр Николаевич

• Толстун, Александр Николаевич
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Толстун, Александр Николаевич

ВВЕДЕНИЕ.

1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1 Конструкционная оксидная керамика.

1.1.1 Простые и сложные оксиды.

1.1.2 Эвтектики.

1.2 Волокна.

1.2.1 Поликристаллические волокна.

1.2.2 Монокристаллические волокна, получаемые в рамках концепции Степанова.

1.2.2.1 Edge-defined, film-fed growth.

1.2.2.2 Micro-pulling-down.

1.2.2.3 Laser heated pedestal growth.

1.2.2.4 Laser heated floating zone.

1.2.3 Монокристаллические волокна, получаемые вне концепции Степанова.

1.2.3.1 Метод внутренней кристаллизации.

1.2.3.2 Inviscid melt spinning.

1.2.4 Сравнительные характеристики волокон.

1.3 Композиты.

1.3.1 Прослойки на границе раздела волокно-матрица.

1.3.1.1 Сильно анизотропные оксиды.

1.3.1.2 Пластичные оксиды.

1.3.1.3 Благородные тугоплавкие металлы.

1.3.1.4 Углерод.

1.3.2 Пористая матрица.

1.3.3 Новые методы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Высокотемпературные оксид-оксидные композиты»

В течение последних десятилетий разработке высокотемпературных конструкционных материалов уделяется всё большее внимание. Повышение температуры эксплуатации энергетических установок желательно по двум основным причинам. Во-первых, возрастает коэффициент полезного действия и, следовательно, сокращается расход топлива. Во-вторых, уменьшается количество вредных продуктов сгорания, выбрасываемых в атмосферу, тем самым снижается отрицательное воздействие на окружающую среду. Чем больше приращение температур цикла, тем выше эффект.

По жаростойкости в окислительной атмосфере оксидная керамика превосходит материалы на основе безоксидных керамик. Однако, использование поликристаллических керамик ограничено параметрами их ползучести и трещиностойкости. Слабая граница волокно-матрица в композитах обеспечивает сопротивление распространению трещины. Предполагается, что армирование поликристаллических оксидных керамик оксидными монокристаллическими волокнами уменьшит (по сравнению с армированием поликристаллическими волокнами) скорость ползучести. Композиты с керамической матрицей, таким образом, необычно сочетают в себе характеристики свойственные как хрупким (высокие жёсткость и сопротивление ползучести), так и пластичным материалам (высокая трещиностойкость). Это наряду со стойкостью оксидов к окислению обещает применение-таких композитов в различных областях.

Монокристаллические волокна, получаемые в промышленных масштабах методом ЕГО, имеют весьма высокую стоимость, существенно ограничивающую их использование в конструкционных материалах. Поэтому разрабатываются альтернативные способы выращивания таких волокон. В этой работе исследуются монокристаллические оксидные волокна, полученные методом внутренней кристаллизации (МВК), и оксид-оксидные композиты на их основе.

В настоящее время исследованы свойства монокристаллических волокон немногих составов (оксид алюминия; иттрий-алюминиевый гранат, эвтектика АЬОз-УАО и некоторые другие), полученных разными способами. Сведений о характеристиках композитов с такими волокнами крайне мало. Метод внутренней кристаллизации (МВК) позволяет получать монокристаллические волокна широкого спектра оксидов и оксидных систем в количестве, достаточном для изготовления композитов. Метод изобретён и развивается сотрудниками Лаборатории армированных систем ИФТТ РАН. Несмотря на то, что первые публикации посвященные методу появились более 15 лет назад [1,2, 3], широкую известность он начал приобретать сравнительно недавно [4, 5, 6, 7, 8].

Целью диссертационной работы является поиск возможностей существенного повышения механических свойств оксид-оксидных композитов, развитие и совершенствование процессов их получения. Для достижения указанной цели в работе ставились следующие задачи: изучить дефектную структуру монокристаллических МВК-волокон и исследовать её влияние на прочность волокон, и на этой основе — усовершенствовать метод внутренней кристаллизации получения оксидных волокон, получить и исследовать волокна нового состава, получить оксид-оксидные композиты на основе МВК-волокон с оксидными прослойками и исследовать их микроструктуру, получить оксид-оксидные композиты на основе МВК-волокон с углеродной прослойкой и исследовать их высокотемпературную ползучесть,

• получить оксид-оксидные композиты на основе МВК-волокон новой структуры, обеспечивающей трещиностойкость композитов, и исследовать их высоко-температурную ползучесть,

На защиту выносятся:

1. Систематизация характерных дефектов монокристаллических YAG волокон, полученных методом внутренней кристаллизации, и их влияния на прочность волокон, дальнейшее совершенствование метода внутренней кристаллизации.

2. Зависимости микроструктуры и механических свойств волокон муллита от состава и волокон эвтектики AhCb-GdAlCb от параметров кристаллизации.

3. Влияние состава прекурсора, параметров нанесения и термообработки на структуру хибонитовых и монацитовых покрытий на МВК-волокнах и соответствующих прослоек в оксид-оксидных композитах.

4. Характеристики ползучести оксид-оксидных композитов.

Достоверность научных положений подтверждается сопоставлением с результатами полученными в исследованиях других авторов, проведённых на массивных оксидных кристаллах и композитах с поликристаллическими волокнами, а также соответствием экспериментальных данных и модельных расчётов.

Практические результаты. Исследования волокон YAG и эвтектики используются для оптимизации процесса получения МВК волокон различного состава. Результаты изучения покрытий и прослоек необходимы для получения сплошных прослоек заданного состава и заданной толщины. Данные о ползучести композитов свидетельствуют о надёжности теоретической модели.

Результаты работы докладывались и обсуждались на российских и между-народных конференциях: 15th International Conference on Composite Materials (Durban, South Africa, 2005); Молодежная конференция "Научные школы Черноголовки - молодежи" (Черноголовка, 2006); 5th International Conference on Mechanics & Materials in Design (Porto, Portugal, 2006); 2nd Directionally Solidified Eutectic Ceramics Workshop (Kyoto, Japan, 2006); XVII Петербургские чтения по проблемам прочности (Санкт-Петербург, 2007); 16th International Conference on Composite Materials (Kyoto, Japan, 2007); 6th International Conference on High Temperature Ceramic Matrix Composites (New Delhi, India, 2007); 13th European Conference on Composite Materials (Stockholm, Sweden, 2008); V Международная конференция "Фазовые превращения и прочность кристаллов" (Черноголовка, 2008); XVI Российский симпозиум по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел (Черноголовка, 2009); 17th International Conference on Composite Materials (Edinburgh, UK, 2009).

Публикации по тематике диссертации, 5 статей:

Попова H.A., Толстун А.Н. Получение монацитовой прослойки в структуре оксид-оксидных композитов на основе МВК-волокон //Наука - производству, 2007. -№ 2. - С.58-61.

Толстун А.Н., Кийко В.М., Курлов В.Н., Колчин A.A., Новохатская Н.И., Милейко С.Т. Получение, микроструктура и механические свойства' некоторых эвтектических оксидных волокон //Деформация и разрушение материалов, 2007. - № 3. - С.12-20.

Кийко В.М., Толстун А.Н., Курлов В.Н., Колчин A.A., Новохатская Н.И., Саркисян Н.С., Старостин М.Ю., Милейко С.Т. Микроструктура и механические свойства эвтектических оксидных волокон, получаемых методом внутренней кристаллизации //Наука — производству, 2007. - №6. - С.5-14.

Милейко С.Т., Кийко В.М., Новохатская Н.И., Толстун А.Н., Колчин A.A. Монокристаллические волокна иттрий-алюминиевого граната: микроструктура и прочность при комнатной температуре //Деформация и разрушение материалов, 2008. - № 5. - С.2-7.

Милейко С.Т., Серебряков A.B., Кийко В.М., Колчин A.A., Курлов В.Н., Новохатская Н.И., Толстун А.Н. Монокристаллические волокна муллита, получаемые методом внутренней кристаллизации //Композиты и наноструктуры, 2009. - № 2. -С.47-60.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы. Первая глава диссертации - литературный обзор методов, используемых для получения оксидных волокон и оксид-оксидных композитов. Во второй главе представлены используемые методики. В третьей главе описаны разрушение волокон YAG, полученных методом внутренней кристаллизации, и получение этим же методом муллитовых и эвтектических волокон. Четвёртая глава посвящена получению на основе МВК волокон композитов с оксидными прослойками. В пятой главе приводятся результаты испытаний на ползучесть оксид-оксидных композитов с МВК волокнами.