ПЕРЕЧЕНЬ
закупленного научного оборудования Центра коллективного пользования
«Центр микроволновых и лазерных нанотехнологий»
по состоянию на 31.12.2008 г.
№ п.п.
|
Наименование единицы оборудования
|
Фирма-изготовитель
|
Страна-
производитель
|
Год выпуска
|
Стоимость (руб.)
|
Назначение, технические характеристики
|
1
|
Спектрометр S150-2-3648 USB
|
Solar
|
Белоруссия
|
2008
|
164000
|
Спектральный диапазон чувствительности ПЗС приемника спектрометра: 190-1100 нм
Максимальное спектральное разрешение: 0,1 нм
|
2
|
Фемтосекундный Ti:S лазер со встроенной накачкой TISSA
|
CDP
|
Россия
|
2008
|
1 690 000
|
Длительность импульса 50-60 фс
Диапазон перестройки 750-850 нм
Выходная мощность на 800 нм 400 мВт
Частота повторения импульсов 75 МГц
Встроенный источник накачки – 5 ваттный (532 нм) DPSS лазер
|
3
|
Столы оптические
|
Standa
|
Литва
|
2008
|
1559902
|
Обеспечивают изоляцию от механических колебаний с временем затухания 50 мс.
|
4
|
Иттербиевый волоконный усилитель
|
ИРЭ «Полюс»
|
Россия
|
2008
|
200 000
|
Центральная длина волны – 1064 нм
Полоса усиления – 10 нм
Коэффициент усиления – 20 дБ
Выходная мощность – 300 мВт
Диаметр пля моды – 15 мкм
Поляризация - линейная
|
5
|
Рентгеновский дифрактометр Rigaku Altima IV
|
Tokyo Boeki Ltd
|
Япония
|
2008
|
5 400000
|
Комплекс предназначен для материаловедческого анализа образцов методом рентгеноспектрального анализа с предварительной подготовкой образцов методом светового оптического анализа в режимах падающего и проходящего света
|
6
|
Двухлучевой сканирующий спектрофотометр УФ и видимого диапазона с приставками зеркального и диффузного отражения
|
Солар
|
Белоруссия
|
2008
|
300550
|
Спектральный диапазон 190-1100 нм
Диапазон измерения по фотометрическим шкалам:
-коэффициентов пропускания, % от 0,1 до 200
- оптических плотностей, ед.ОП: от – 0,1 до 3,0скорость сканирования, нм/мин: от 3000 до 24
|
7
|
Система управления фемтосекундным лазерным комплексом
|
Спектрофизикс
|
Германия
|
2008
|
1500000
|
Предназначен для управления лазерами накачки, задающим генератором и регенеративным усилителем фемтосекундного лазерного комплекса
|
8
|
Приточно-вытяжная установка фирмы «KORF»
|
KORF
|
Германия
|
2008
|
85000
|
Производительность 150 м3/час
|
Итого: 10899452 руб.
В Приложении 1 приведены копии госконтрактов, заключенных с организациями – поставщиками оборудования.
Для приемки нового оборудования проведена инженерно-техническая подготовка производственных помещений. В ряде лабораторий проведен ремонт, проведена необходимая перепланировка подводов энергоснабжения (электричество, сжатый воздух, вода). На следующей фотографии приведен пример подготовленного помещения.
Проведение научных исследований
На втором этапе работ продолжено проведение научных исследований в соответствии с ТЗ и календарным планом.
2.1 Разработка технологии создания наноструктурных керамических материалов на основе окиси алюминия методом спекания при микроволновом нагреве
Перспективы использования наноструктурных конструкционных керамик и композитов связаны в различных отраслях современного производства, в первую очередь, с общепризнанным представлением о существенном улучшении физико-механических свойств материалов при уменьшении кристаллитов до нанометровых размеров. Основной проблемой создания наноструктурных материалов является достижение близкой к теоретической конечной плотности, необходимой для обеспечения высоких физико-механических свойств, при сохранении наноразмерной структуры. Одним из наиболее перспективных направлений решения этой задачи представляется процесс спекания компактированных из наноразмерных порошков материалов при нагреве микроволновым излучением. Основанный на объёмном поглощении микроволнового излучения быстрый нагрев и, как следствие, высокие скорости спекания позволяют надеяться на ограничение рекристаллизационного роста зерна. Кроме того, ускорение процессов массопереноса под действием микроволнового поля может также способствовать спеканию.
Одним из многообещающих с практической точки зрения является повышенная пластичность нано- и ультрадисперсных поликристаллических материалов, открывающая возможность точного формообразования изделий. Воздействие микроволнового поля на массоперенос должно сказываться на пластической деформации кристаллических материалов.
На предыдущих этапах выполнения проекта были исследованы процессы спекания керамик на основе оксидных наноразмерных порошков в условиях нагрева материалов микроволновым излучением частотой 24 ГГц. Впервые были исследованы процессы пластической деформации спечённых образцов при микроволновом нагреве. Были определены основные параметры режимов спекания и деформации – характерные значения температур, длительности процессов, давления сжатия, скорости пластической деформации и микроволновой мощности. Исследования данного этапа работ были посвящены определению основных механических свойств деформированных материалов, изучению особенностей их микроструктуры и установлению связей между микроструктурой и механическими свойствами.
В экспериментах по исследованию деформации использовались керамические образцы, спечённые при микроволновом нагреве компактов из наноразмерных порошков Al2O3, ZrO2, (AlMg)2O3 и Y2O3, полученных в Институте электрофизики УрО РАН. Экспериментальное исследование деформации образцов проводились на специализированном гиротронном комплексе, работающем в режиме непрерывной генерации на частоте 24 ГГц с выходной мощностью до 5 кВт. Для изучения пластической деформации образцов в процессе их нагрева в микроволновом поле использовалось специально разработанное устройство одноосного сжатия. Прессовое устройство обеспечивало одноосное сжатие образцов до давления 100 МПа при температуре до1500 ºС. Точность измерения длины испытывавшихся образцов составляла ± 2,5 мкм. Вся система - образец в теплоизолирующем экране, вместе с термопарой и деформирующим устройством -размещалась в рабочей СВЧ камере гиротронного комплекса, датчик деформаций располагался вне камеры.
Измерения основных физико-механических характеристик образцов до и после деформации проводились методом индентирования на микротвердомере «Duramin – 2» «Struers». Из анализа экспериментальных данных определялись следующие характеристики керамических материалов: микротвердость Hμ, нагрузка появления первых микротрещин, вязкость, коэффициент трещиностойкости К1С, эффективная энергия разрушения, хрупкость. Были получены зависимости этих характеристик от температуры и длительности процесса спекания при СВЧ нагреве, а также параметров процесса деформации - величины нагрузки сжатия и температуры. Микроструктура образцов до и после деформации исследовалась на электронном микроскопе JEOL - 6490LV.
Ниже на рисунках2.1.1 – 2.1.4 приведены некоторые примеры, иллюстрирующие изменение микроструктуры керамических образцов в результате сжатия в условиях их нагрева микроволновым излучением.
Рисунеок 2.1.1. Микроструктура керамики (AlMg)2O3, спечённой при температуре T = 1450oC и выдержке 5 мин.
Рисунок 2.1.2. Микроструктура керамики (AlMg)2O3 после сжатия при температуре 1300oC и давлении 30 МПа.
Рисунок 2.1.3. Микроструктура керамики Al2O3–8вес.%ZrO2(стаб.3вес.%Y2O3), спечённой при температуре T = 1450oC и выдержке 5 мин.
Рисунок 2.1.4. Микроструктура керамики Al2O3–8вес.%ZrO2(стаб.3вес.%Y2O3) после сжатия при температуре 1300oC и давлении 77 МПа.
Таблица 2. Средние размеры зерна матрицы (Al2O3) и добавки (ZrO2, стаб.Y2O3) в исходной керамике Al2O3–8вес.%ZrO2 (стаб.3вес.%Y2O3) и керамике, деформированной сжатием при температуре 1300 С и давлении 50 МПа.
Исходная керамика
|
Керамика после сжатия
|
|
Средний размер зерна матрицы,
мкм
|
Средний размер зерен добавки, мкм
|
Средний размер зерна матрицы, мкм
|
Средний размер зерен добавки, мкм
|
Стандартное отклонение,
мкм
|
0.64
|
0.20
|
0.69
|
0.37
|
0.06
|
В целом, сравнение результатов анализа микроструктуры исходных керамических образцов и образцов после высокотемпературной деформации показывает, что при деформации в данных условиях экспериментов:
- в керамике (AlMg)2O3 средний размер зёрен матрицы увеличивается в 1,5 раза и зёрен включений в 2,5 раза,
- в керамике Al2O3–8вес.%ZrO2(стаб.3вес.%Y2O3) средний размер зёрен матрицы остаётся практически неизменным, а средний размер зёрен включений увеличивается в 1,85 раза.
Результаты комплексного исследования механических свойств полученных спеканием керамических образцов и образцов после деформации позволяют сделать следующие выводы:
Физико-механические свойства образцов керамики (AlMg)2O3 после деформации сжатия (давление нагружения образца - 30 МПа, температура - 1300ºС, деформация – 8%) заметно снижаются: наблюдается уменьшение коэффициента трещиностойкости на 50 %, эффективная энергия разрушения уменьшается в 3 раза, величина хрупкости увеличивается в 2 раза.
Заметных изменений физико-механических характеристик образцов керамики Al2O3-ZrO2-Y2O3 в состоянии до и после деформирования (давление нагружения образца - 30 -80 МПа, температура – 1300 ºС, деформация – 17 ÷ 25%) не наблюдается: отличие характеристик различных образцов не превышает 5 %.
Данные результаты исследования механических свойств, в целом, находятся в соответствие с результатами анализа микроструктуры материалов. Полученные результаты позволяют определить оптимальные условия формования при микроволновом нагреве изделий из керамик, исследовавшегося состава, со скоростями деформации (более 10-5 сек-1), представляющими интерес для технологии точного формообразования.
2.2 Разработка физических основ получения изделий из мелкодисперсной керамики методом точного формообразования при микроволновом нагреве.
Проведено комплексное исследование пластической деформации сжатия при СВЧ нагреве плотных ультрадисперсных керамических материалов составов, в частности (AlMg)2O3 и Al2O3-8вес.%ZrO2(3%Y2O3), и изучено изменение их механических свойств в процессе пластической деформации. Исследования проводились на керамических образцах, полученных спеканием при СВЧ нагреве компактов, прессованных из наноразмерных оксидных порошков, изготовленных в Институте электрофизики УрО РАН. Описание процедуры спекания и основных характеристик полученных керамических материалов приведено в отчёте по первому этапу работы. Экспериментальное исследование деформации керамических образцов проводились на технологическом гиротронном комплексе, работающем в режиме непрерывной генерации на частоте 24 ГГц с выходной мощностью до 5 кВт. Для изучения пластической деформации образцов в процессе их нагрева в микроволновом поле использовалось специально разработанное устройство одноосного сжатия. Прессовое устройство обеспечивало высокие механические напряжения при температурах образцов порядка 1500 ºС. Точность измерения длины испытывавшихся образцов составляла ± 2,5 мкм. Вся система - образец в теплоизолирующем экране, вместе с термопарой и деформирующим устройством -размещалась в рабочей СВЧ камере гиротронного комплекса, датчик деформаций располагался вне камеры.
Измерения основных физико-механических характеристик образцов до и после деформации проводились методом индентирования на микротвердомере «Duramin – 2» «Struers». Из анализа экспериментальных данных определялись следующие характеристики керамических материалов: микротвердость Hμ, нагрузка появления первых микротрещин, вязкость, коэффициент трещиностойкости К1С, эффективная энергия разрушения, хрупкость. Были получены зависимости этих характеристик от температуры и длительности процесса спекания при СВЧ нагреве, а также параметров процесса деформации - величины нагрузки сжатия и температуры. Микроструктура образцов до и после деформации исследовалась на электронном микроскопе JEOL JSM-6490LV.
Экспериментальные зависимости изменения длины керамических образцов от времени в процессе сжатия получены в двух режимах: 1) при постоянной температуре и различных давлениях сжатия, 2) при постоянном давлении и ступенчато-изменяемой температуре. Определенные по полученным данным зависимости скорости деформации образцов от приложенного напряжения при различных температурах приведены на рисунке 2.2.1. В материалах обоих составов (AlMg)2O3 и Al2O3-8%ZrO2(3%Y2O3) максимальные скорости деформации достигали 2∙10–4 с-1 при температуре 1400 ºС и напряжениях порядка 60-80 МПа. Изменение продольного размера образцов при этих условиях превышало 70 %. Из анализа микроструктуры материалов следует, что в процессе деформации при температурах 1300 - 1400º С средний размер зерна возрастает примерно в 1,5 раза и составляет 500 - 700 нм.
Рисунок 2.2.1. Зависимости скорости деформации от давления для совокупности данных по сжатию образцов: «а», «б», «в» – керамика Al2O3–8вес.%ZrO2(3%Y2O3) (температура 1300 ºC), «г» - керамика (AlMg)2O3 (температура 1300 ºC), «д» - керамика Al2O3–8вес.%ZrO2(3%Y2O3) (температура 1400 ºC).
Физико-механические свойства образцов керамики (AlMg)2O3 после деформации сжатия (напряжение - 30 МПа, температура – 1300 ºС, деформация – 8%) снижаются: наряду с увеличением микротвердости наблюдается уменьшение коэффициента трещиностойкости и эффективной энергия разрушения. Заметных изменений физико-механических характеристик образцов керамики Al2O3–8%ZrO2(3%Y2O3) после деформирования (напряжение - 30-80 МПа, температура – 1300 ºС, деформация – 17 ÷ 25%) не наблюдается: отличие характеристик исходных и деформированных образцов не превышает 5 %.
Одной из характеристик, используемых для анализа механизмов деформации поликристаллических материалов, является энергия активации процесса деформации Q, которая может быть определена из выражения:
dε /dt = А(σn / dp)∙exp(-Q / RT) (1),
где dε /dt – скорость деформации, d – размер зерна, σ – приложенное напряжения; n и р – показатели степени в зависимости скорости деформации от напряжения и размера зерна, соответственно; T – абсолютная температура, R – газовая постоянная, А – постоянный коэффициент. Из анализа экспериментальных данных следует, что величина энергии активации равна 330 и 435 кДж/моль для керамик (AlMg)2O3 и Al2O3-8%ZrO2(3%Y2O3), соответственно. Эти значения заметно ниже характерных значений энергии активации для керамики на основе оксида алюминия, деформируемой в условиях традиционного нагрева. Анализ полученных данных показывает, что значения показателей n и p в выражении (1) равны: n = 1 и р = 3. Как известно, выражение (1) с указанными значениями показателей n и p описывает механизм деформации, называемый диффузионной ползучестью Кобла, который контролируется зернограничной диффузией. Отметим, что скорость зернограничной диффузии в ионных кристаллах, к классу которых относится окись алюминия, может значительно возрастать при нагреве микроволновым излучением. Активация микроволновым полем процессов зернограничного массопереноса позволяет надеяться на заметное снижение температуры обработки в технологических задачах формования плотных керамических материалов.
Полученные результаты позволяют определить оптимальные при СВЧ нагреве условия высокотемпературной одноосной сверхпластичной деформации алюмооксидной керамики со скоростями, представляющими интерес для технологического процесса точного формообразования изделий.
2.3 Разработка методов синтеза высокочистых слабоагрегированных наноразмерных оксидных порошков и спекания лазерной керамики с использованием микроволнового нагрева
При исследовании взаимодействия модифицированных ацетилацетоном алкоксидов алюминия с нитратами иттрия и неодима были получены координационные гетерометаллические комплексы, способные при термическом инициировании (200-250°С) самопроизвольно разлагаться с выделением значительного количества газообразных продуктов (реакция самораспространяющегося высокотемпературного синтеза – СВС). Вследствие высоких температур разложения этих комплексов и интенсивного газовыделения происходит образование пенистой структуры, состоящей из слабоагломерированных порошков оксидов алюминия, иттрия и неодима, по составу соответствующих алюмоиттриевому гранату. Температура распада комплексов зависит от соотношения количества окислителя (нитрогрупп) и восстановителя (ацетаты, ацетилацетонаты, изопропилаты и пр.) и может достигать 700°С.
Показано, что замена части ацетилацетонатных заместителей в ацетилацетонатно-нитратных комплексах алюминия-итрия-неодима на содержащие меньшее количество углерода ацетатные группы снижает температуру СВС-синтеза и одновременно уменьшает средний размер частиц граната от 70 нм. (при содержании ацетилацетонатных групп 100% от возможного) до 23 нм (33% ацетилацетонатных заместителей), но с некоторым увеличением агломерированности порошка. Температура перехода всех порошков в фазу граната - 850°С без образования промежуточных фаз. Формирование фазы граната при низкой температуре говорит об образовании смеси оксидов в стехиометрическом соотношении на молекулярном уровне, что недостижимо при механическом смешивании оксидов и труднодостижимо при других методах синтеза (например, при совместном осаждении солей алюминия, иттрия и неодима).
Для уменьшения содержания углерода были получены комплексы Al-Y-Nd, содержащие вместо ацетилацетонатных, ацетатные и формиатные лиганды с меньшим количество углеродных атомов. Для предотвращения преждевременного отщепления нитрогрупп, в состав комплексов был введен карбамид. Последний связывал азотную кислоту и удерживал окислитель в комплексе до начала СВС. В результате этой модификации метода СВС в зависимости от количества введенного карбамида появилась возможность изменять температуру синтеза, и таким образом влиять на морфологию порошков.
Аналогичные ацетат-нитратные комплексы Y-Nd способны разлагаться по СВС-пути с образованием нанопорошков оксида иттрия, легированного неодимом, без введения карбамида. Предварительные опыты по спеканию образцов Y2O3:Nd, уплотненных одноосным прессованием, привели к получению керамики с плотностью, близкой к теоретической, с оптической плотностью на длине волны 1064 нм равной 3. Разработан технологичный способ получения ацетат-нитратных комплексов Y-Nd как прекурсоров для получения нанодисперсных оксидных порошков. Средний размер частиц, определенный рентгенофазовым методом по уширению линий, составил 18 нм.
М етодом одновременного нагрева нескольких образцов состава Nd:Y2O3 диаметром 15 мм и высотой порядка 3 мм отработаны режимы микроволнового спекания, имитирующего процесс получения высокоплотных образцов диаметром порядка 50 мм. Схема расположения образцов в кварцевом тигле, помещаемом в рабочую камеру гиротронного комплекса, работающего на частоте 24 ГГц, приведена на рисунке 2.3.1. Спекание проводилось при давлении остаточного воздуха в рабочей камере порядка 10 Па Температура спекания варьировалась в диапазоне 1750…1900 С, время выдержки - в интервале от 3-х до 24-х часов. Определённая методом Архимеда плотность образцов равнялась теоретической с точностью определения плотности порядка 0,2%. Различие в плотности отдельных одновременно спечённых образцов не превышало ± 0,2%.
2.4 Экспериментальные установки для ультрамикровкопии, поляризационной отражательной микроскопии, оптической диффузионной томографии
|
