Балабанов А. Е. Процеси синтезу та властивості ІЧ-прозорої кераміки в системі MgO-Y2O3

Дисертацію присвячено визначенню особливостей отримання ІЧ-прозорої кераміки в системі MgO-Y2O3, а також впливу структурно-морфологічних характеристик нанопорошків на оптичні властивості та функціональні характеристики кераміки. Визначено основні фізико-технологічні параметри синтезу ІЧ-прозорої кераміки в системі MgO-Y2O3. Реалізовано комплексний підхід до синтезу оксиду ітрію, як ІЧ-прозорого матеріалу для вікон технологічних апаратів на всіх етапах маршруту отримання кераміки та умови синтезу нанокомпозитів 50:50 об.% MgO–Y2O3 методом іскрового спікання. В першому розділі описані методи отримання прозорих середовищ для сучасної інфрачервоної (ІЧ) оптики в системі MgO–Y2O3. У другому розділі наведено детальний опис експериментальних методик отримання порошків, виготовлення зразків ІЧ-прозорої кераміки та описано методи їх характеризації. В третьому розділі досліджено активність до спікання нанопорошків Y2O3 як функцію їх структурно-морфологічих характеристик. Визначено, що комерційні порошки Y2O3 утворюють тривимірні агломерати складної ієрархії з розміром до 3-5 мікрон, які формуються з більш тонких первинних частинок розмірами 25-60 нм. Встановлено, що ефективне ущільнення нанопорошків Альфа-нано обумовлено високою дисперсністю порошкової суміші, низьким ступенем агломерації та малим розміром первинних частинок. Досліджено закономірності формування твердих розчинів заміщення Y2O3:La3+. Показано, що повне розчинення гексагонального La2O3 в кубічному Y2O3 відбувається за температур нижче 1500°C за участі проміжних фаз, збагачених лантаном. Фазові перетворення, що супроводжуються збільшенням питомого об’єму, а також гігроскопічність оксиду лантану призводять до розтріскування високолегованої кераміки Y2O3:La3+ при спіканні. В четвертому розділі досліджено особливості мезоструктури порошкових компактів Y2O3, влив домішок, що сприяють спіканню та умови формування кераміки Y2O3. Показано, що попередній відпал компактів Y2O3 доцільно проводити за максимальної температури, при якій не відбувається спікання зі зближенням центрів частинок, а збільшення розміру пор не перевищує ≈30%. Компакти, відпалені за Т=800С, характеризуються оптимальною мезоструктурою з точки зору ефективності ущільнення при подальшому вакуумному спіканні (Т=72% при λ=1100 нм). Показано, що комплексна домішка La3++Zr4+, що сприяє спіканню, ефективно пригнічує рухливість границь зерен та одночасно активує дифузійний транспорт по розгалуженій системі міжзеренних меж за рахунок формування дефектів в катіонній підгратці. Та в результаті оптимізації температурно-часового маршруту вакуумного спікання вствновлено умови синтезу ІЧ-прозорої кераміки Y2O3, з високою прозорістю в видимому та ІЧ-діапазонах (83% при 5 мкм). В п’ятому розділі досліджувалися фізико-хімічні умови формування аморфних прекурсорів та нанопорошків в системі MgO–Y2O3. Застосовуючи метод самопоширюваного гліцин-нітратного синтезу з використанням надлишку гліцину і азотної кислоти, були синтезовані композитні нанопорошки MgO–Y2O3 у співвідношенні 1:1 за об'ємом. Встановлено, що нерівноважні умови синтезу прекурсорів сприяють утворнню продукту коралоподібної геометрії. Визначено термодинамічну стабільність та стійкість прекурсора до фрагментації під час кальцинації. Показано, що за температур вище 800°С волокна розпадються на окремі ізольовані частинки квазісферичної морфології та видаються найбільш придатними для подальшого спікання у рамках керамічної технології. Шостий розділ присвячений дослідженю впливу температури спікання на процеси дифузійного масопереносу та фізичні властивості нанокомпозитної кераміки MgO–Y2O3 та впливу домішки іонів Нo3+ як домішки що сприяє спіканню. Реалізовано умови синтезу нанокомпозитів 50:50 об.% MgO-Y2O3 методом іскрового спікання нанопорошків, які дозволяють отримати оптичну прозорість кераміки у ІЧ-діапазоні довжин хвиль. Показано що лінійне оптичне пропускання композиту Т≈68% при λ=5000 нм може бути реалізовано за умов формування однорідної двофазної структури, просторового обмеження процесів рекристалізації компонентів та збереження розміру зерен на рівні 200-250 нм, за якого внесок розсіювання світла на міжфазних межах є мінімальним. Отримана кераміка MgO–Y2O3 з Нo3+ як домішки що сприяє спіканню. Всі зразки містять включення з розміром в межах 1-15 нм домішкової фази, які локалізовані як на границях зерен, так і на потрійних стиках. Найвища твердість за Віккерсом 10,7 ГПа досягается у зразку, легованому 12 ат.% іонів Ho3+ через наявність включень карбідів гольмію із характерними розмірами до 15 нм. Встановлено, що легування іонами Ho3+ активізує дифузійний масоперенос при отриманні кераміки MgO–Y2O3:Нo3+ (3-12 ат.%) через перерозподіл електронної щільності поблизу легуючих іонів. Це призводить до збільшення коефіцієнту оптичного пропускання кераміки MgO–Y2O3:Нo3+ (3 ат.%) з 68 до 75% у порівнянні з нелегованою.