Фізико-технічні основи та технологічні принципи одержання функціональних градієнтних керамічних матеріалів на базі безкисневих тугоплавких сполук

Критична концентрація Xc може бути визначена як

,

де перший співмножник має фізичний зміст координаційного числа упаковування, другий - ефективної концентрації провідної фази, і третій - коефіцієнта матричності структури ( за В.В.Скороходом), Rm, Rd - характеристичні розміри часток металоподібного включення і міжчасткових ізоляційних проміжків, zm - координаційне число, Xm.Xc - поточна та порогова концентрації.

Автором показано, що ефективна концентрація провідної фази змінюється монотонно, а коефіцієнт матричності - дискретно, і ця дискретна зміна залежить від дисперсності фази включення і концентрації провідника в композиті. Цю дискретність автор зв'язує з розходженнями в критичній концентрації провідної добавки в момент утворення провідного зв'язку та у момент створення максимальної щільності упаковування провідних часток у кластері.

Наприклад, якщо збільшується спільне утримання часток Nmall у резистивному композиті і відбувається їхня сегрегація навколо ансамблів ізоляційних часток, то при локальному досягненні на межі такого ансамблю деякої концентрації Xmgr уздовж межі утвориться провідний зв'язок. Подальше збільшення спільного числа часток у композиті ( через зростання концентрації включень Xm) не буде змінювати числа провідних зв'язків доти, поки для конкретного зв'язку не буде досягнуте максимально щільне упаковування часток.

Ті частки, що не ввійшли в провідний кластер, випадковим чином розташовуються в обсязі ізоляційних ансамблів, змінюючи властивості цих ансамблів. Із зростанням концентрації провідних включень Xm збільшується число часток, що не належать провідному кластеру. По досягненню цими частками мінімальної (для даного виду структури) граничної концентрації, утвориться новий провідний зв'язок, що розділяє ізоляційний ансамбль на j частин, де j=2ёn . Таким чином, можна стверджувати, що при збільшенні концентрації провідника Xm після утворення провідного кластера повинна наступити ситуація, при якій критична концентрація Xceff не буде залежати від співвідношення Rm/Rd доти, поки не відбудеться стрибкоподібної зміни розміру ансамблю ізоляційних часток. У реальних резистивних композитах описані явища знайдуть відбиток у немонотонній залежності rс - Xm і у виникненні порогу протікання за різної концентрації фази високої провідності.

Важливим чинником у передбаченні опору резистивного композиту є вибір опору фази включення (rm (rd). Автору не відомі роботи, в яких дослідники звертали б увагу на цей параметр. Звичайно за величину rm приймається деяке ефективне значення опору матеріалу речовини фази включення (часто довідкове), що майже завжди неправомірне.

Автор встановив, що опір кластера rmкл також є періодичною функцією структури і залежить як від розміру одиничного фрагмента перколяційного кластера, так і від кількості провідних часток у складі одиничного фрагмента провідного кластера. Встановлено, що на розмір опору кластера будуть впливати (із різним знаком), щонайменше п'ять чинників: координаційне число упаковування; якість і розмір міжчасткових контактів; співвідношення розміру виробу (фрагменту виробу) і розміру характеристичного ансамблю провідних часток; відношення ефективної концентрації провідної фази зі статистичною вагою матричність, відмінною від нуля, до спільної концентрації провідних включень; ступінь матричності ізоляційної фази.

Автором встановлено, що для аналізованих резистивних композитів у цілому характерний активаційний (бар'єрний) механізм електроперенесення. Проте присутність поруч одне з одним часток різноманітних розмірів може внести суттєві поправки в цей механізм. Автор аналізує взаємозв'язку електропровідності і мікроструктури резистивних композитів з позицій фізики сильнолегованих напівпровідників. Автор показав, що за визначених кількісних співвідношеннях грубої та дрібної фракцій у складі провідного кластера в ньому поряд з омічним може виникати дифузійний струм. Виникнення дифузійного струму може сприяти як збільшенню числа носіїв в електричному ланцюзі (процеси інжекції), так і зменшенню їх (локалізація носіїв на рівнях пасток). Другий процес буде сприйматися у зовнішньому ланцюгу як ріст опору, що виявляється стабільно у визначеному діапазоні температур. Для композитів Si3N4-TaN таким діапазоном є температури поверхні градієнтного композита 1000-1300°С. Іншою установленою причиною виникнення позитивного ТКО ( що спостерігається при температурах поверхні 500 - 750 °С) є тимчасове зменшення числа носіїв у зовнішньому ланцюгу внаслідок їхньої втрати на термоемісію з провідних часток у розташовані поруч пори (порожнини) Термоемісія відбуваються з поверхні наночасток, що під впливом струму нагріваються до високих температур (коло 1500-1600°С). Із-за того, що загальна концентрація таких часток невисока, під дією цього механізму температура поверхні виробу не піднімається вище 700 - 750°С.

Розглянуто специфіку поводження резистивного композита в складі функціональної зони ФГМ для випадку, коли температура композита підвищується за рахунок джоулевого тепла. Встановлено, що в залежності від морфології мікроструктури резистивного композита можуть реалізовуватися три стани.

Фаза високої провідності містить надлишок носіїв заряду на дрібних рівнях захоплення і малу кількість глибоких рівнів захоплення. У цьому випадку при пропусканні крізь композит постійного струму виникає інтенсивний дифузійний потік носіїв, за рахунок якого виділяється додаткове тепло. Для досягнення фіксованої температури поверхні композита ( за рахунок джоулевого тепловиділення) витрати потужності на постійному струмі на 15-35% менше, ніж на змінному.

Фаза високої провідності містить надлишкову кількість глибоких рівнів захоплення і низьку кількість носіїв заряду на дрібних рівнях. При пропусканні крізь композит постійного струму виникає явище інтенсивного захоплення носіїв на глибокі рівні. Спільне число носіїв у ланцюгу зменшується. Для досягнення фіксованої температури на постійному струмі витрачається на 15-35% більше потужності, ніж на змінному.

У композиті кількість слабозв'язаних носіїв заряду на дрібних рівнях пасток відповідає числу глибоких пасток. Після нетривалого перехідного процесу виникає електроперенесення омічного характеру. Для досягнення фіксованої температури витрати потужності на постійному і змінному струмах однакові.

У шостому розділі викладені основи розробленої методики проектування функціонального елемента електротехнічного або машинобудівного призначення, основи розробленого технологічного процесу одержання функціональних градієнтних композитів із необхідною просторовою орієнтацією функціонального параметра, основи неруйнівних методів контролю якості керамічних композитів та прогнозування їхнього ресурсу. Приведено розроблені рекомендації практичного застосування суцільнокерамічних функціональних градієнтних композитів у складі пристроїв нової техніки і побутових електроприладів.

Приведено дані про відтворюваність розрахункового функціонального параметра в залежності від особливостей конкретного технологічного процесу. Показано, що неоптимізований технологічний процес забезпечує вихід виробів із розрахунковими функціональними параметрами 35-60 %, тоді як після оптимізації відповідно до розроблених принципів керування вихід виробів із розрахунковим функціональним параметром становив 65-85 % .

Розглянуто застосування установлених взаємозв'язків склад-структура-властивість для вирішення задачі поопераційного контролю якості керамічних виробів і показано, що практично визначені за допомогою розробленої методики характеристичні параметри перколяційної системи можна використовувати для оцінки або проектування механічних характеристик багатофазних композитів. На рисунку приведені кореляційні взаємозв'язки між визначеними за розробленою методикою характеристичними параметрами фази матриці (H/DDi) і фази включення (rклМе) та механічними властивостями композитів Si3N4 -TaN.

Приведено також порівняльні результати прогнозування ресурсу керамічних виробів, виконані за розробленою методикою, що заснована на одночасній реєстрації сигналів електропровідності і акустичної емісії для керамічного зразка, що піддається впливу повільно наростаючого механічного навантаження. Показано високий ступінь вірогідності прогнозу, тим більший, чим вищий рівень термомеханічних напруг у контрольованому зразку.

Детально проаналізована перспективність застосування нових функціональних виробів (на прикладі суцільнокерамічних нагрівачів) замість традиційних і показане переконлива перевага виробів на базі ФГМ. Нові вироби економічні ( під час їхнього використанні споживається в 1,4-4,7 разів менше електроенергії, ніж під час використання традиційних пристроїв електронагріву), мають унікальні можливості роботи в агресивному середовищі, при високих щільностях теплового потоку, що випромінюються з поверхні виробу, а також унікальним спектральним складом випромінювання.

Приводяться експлуатаційні характеристики розроблених суцільнокерамічних нагрівальних елементів широкого призначення, сполучених керамічних емітерів для лазерної техніки і теплопровідних діелектричних підложок із вмонтованою комутацією для потреб мікроелектроніки.

Приводяться статистичні розрахунки вірогідності результатів передбачень ресурсу керамічних об'єктів під час використання методу контролю якості керамічних композитів, заснованого на одночасному вимірі електропровідності і акустичної емісії, що впроваджений автором на кафедрі кераміки хіміко-технологічного факультету Варшавського політехнічного Інституту.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1.Отримані нові науково обгрунтовані результати в області композиційних матеріалів на основі безкисневих тугоплавких сполук, що у сукупності вирішують важливу наукову проблему - одержання функціональних градієнтних суцільнокерамічних композитів для електротехнічних застосувань. Процес одержання таких композитів складається з трьох основних стадій:

Стадії проектування макроструктури ФГМ, що забезпечує реалізацію просторового оптимуму функціонального параметра для композита. Ця стадія включає способи: проектування об'ємного вмісту і зернового складу фази включення; формоутворення заготовок функціональних зон ФГМ; конструювання просторового профілю функціональних зон;

Стадії керованого структуроутворення функціональних градієнтних композитів, що включає способи: добору оптимального поєднання компонентів для функціональних зон ФГМ; оптимальної хімічної активності компонентів (як на етапі формування структури ФГМ, так і під впливом температурно-часових чинників, тиску і середовища спікання);

Стадії виробничого та остаточного контролю якості керамічних композитів, що базується на встановленому структурно-чутливому параметрі - електропровідності і швидкості її зміни під впливом механічного або теплового навантаження.

2. На підставі теоретичних і експериментальних досліджень встановлені нові фізико-хімічні закономірності структуроутворення градієнтних композитів, які зумовлені взаємним поєднанням матеріалів у складі багатофазних композитів. Вперше отримані дані про механізми організації мікроструктури в процесах гетерофазного взаємодії за участю рідкої фази, середовища спікання (азот, аргон, вакуум, повітря) і домішок (вуглецю, кисню, водню) при гарячому пресуванні як для ізоляційних матеріалів на основі безкисневих тугоплавких сполук, так і для резистивних керамічних композитів із добавками TaN, ZrC, HfC, B4C, SiC.

3.Встановлено нові структурно - морфологічні та фізико - хімічні закономірності розбудови структури провідних частинок. Показано, що при використанні активних порошків домішки з визначеним співвідношенням грубої та дрібної фракції, стабільно реалізується ланцюгова структура фрагментованих часток. Визначено, що морфологія мікроструктури резистивного композита визначається геометрією резистивної зони. Показано, що базовими критеріями, на які потрібно впливати, щоб сформувати необхідну мікроструктуру функціональних профілів композита, є: склад і дисперсність, а також хімічна активність шихтових компонентів, вид біндера і пластифікатора, температурно-часові режими процесу одержання.

4.Встановлено вплив технологічних чинників на ущільнення маси керамічних порошків при динамічному пресуванні в процесі одержання керамічних листів для формування функціональних профілів ФГМ. Показано, що тільки процес динамічного пресування в'язкої маси забезпечує визначену "армовану" пористу структуру каркаса, що надалі підвищує хімічну активність прошарків композита при його спіканні і сприяє перетворенню шаруватої заготовки в монолітний виріб, у якому виключається межа механічного поділу технологічних прошарків.

5.Встановлено, що високий ступінь гомогенності зернограничної фази О'-сіалону може бути реалізований за рахунок цілеспрямованого регулювання динаміки зміни куту змочування розплавом зернограничної фази кристалітів основної речовини, причому кращим є такі стани на межі фаз, при яких кут змочування змінюється протягом процесу від 45° до 5°. Показано, що відтворюваність таких фазових станів істотно підвищується, якщо до шихти вводяться невеликі добавки титану.

6.Експериментально підтверджена висока ефективність вперше запропонованого автором способу формування об'ємного профілю функціональної зони керамічного композита. Відповідно до цього способу увесь обсяг функціонального композита розбивається на визначене число прошарків, що формуються з ізоляційного матеріалу (матеріалу корпусу ФГМ). У кожному з таких прошарків вирубується отвір, що відповідає по розмірі профілю резистивного вкладишу. Сформований отвір щільно заповнюється вкладкою з резистивного матеріалу і потім, у відповідності зі схемою сполучень, прошарки з резистивними вкладами збираються до заготовки майбутнього виробу.

7.Виконано теоретичний аналіз і експериментально вивчені закономірності концентраційних і температурних змін електропровідності у резистивних композитах; досліджені взаємозв'язки "структурні стани - фізичні параметри -технологічні режими", що в цілому дозволило розробити принципи проектування функціональних градієнтних композитів електротехнічного призначення з безкисневої кераміки на базі тугоплавких сполук, що складаються з декількох різноманітних матеріалів із цілеспрямованою зміною характеру їхнього взаємного розташування в обсязі композита.

8.Доповнена фізична модель електропровідності систем типу “діелектрик-метал” із врахування явищ, що відбуваються на поверхні часток фази високої провідності резистивного матеріалу при протіканні струму по провідному кластеру, сумірному з розмірами функціональної області. Встановлено взаємозв'язок між розрахунковими характеристиками мікроструктури і технологічних параметрів процесів змішування, формоутворення та спікання, на основі якої вперше запропонована методика ефективного й оперативного керування параметрами технологічного процесу для підвищення його продуктивності і збільшення проценту виходу придатних виробів.

9.Розроблена нова фізична модель електропровідності і її температурної залежності для полікристалічних неоднорідних керамічних об'єктів типу “діелектрик - провідник”, у якому електроперенесення здійснюється в обмеженому просторі функціональної зони, фрагменти мікроструктури якої характеризуються вираженою анізотропією, а також у випадку, коли електроперенесення здійснюється в керамічному об'єкті, що піддається впливу термічного або механічного навантаження. Це вирішення дозволяє одержувати резистивні активні прошарки ФГМ, що забезпечують його стабільну роботу в режимі випромінювання теплових потоків великої щільності. Теоретично обгрунтовано та практично реалізовано створення на основі цієї моделі нового методу неруйнуючого контролю якості керамічних виробів, що дозволяє з високою достовірністю прогнозувати ресурс виробу, а також методики неруйнуючої оцінки стану мікроструктури реального резистивного об'єкту, котра сформувалась під впливом конкретних технологічних чинників

10.Вперше розроблена методика проектування функціонального елемента електротехнічного призначення й оптимізації характеристик функціональних зон градієнтного матеріалу з урахуванням необхідних експлуатаційних параметрів функціонального елемента, котра вперше застосована для одержання на базі безкисневих сполук нового покоління керамічних функціональних елементів: суцільнокерамічного нагрівального елемента, баластного резистора, діелектричної підложки із вмонтованою комутацією.

11.Вперше розроблено новий тип функціональних елементів на базі кераміки з безкисневих тугоплавких сполук: суцільнокерамічні нагрівальні елементи, високопотужні баластні резистори, високоефективні керамічні емітери і великогабаритні діелектричні теплопровідні підложки для мікроелектроніки. Вперше розроблені практичні рекомендації застосування суцільнокерамічних нагрівальних елементів і інфрачервоних випромінювачів у побутових електроприладах пристроїв нової техніки.

12.Економічний ефект від упровадження нових типів функціональних градієнтних керамічних композитів (суцільнокерамічних нагрівачів) полягає в поліпшенні техніко-економічних характеристик пристроїв електронагріву за рахунок прискорення процесу сушіння (який відбувається завдяки збігу спектрів випромінювання джерела нагрівання і спектру поглинання об'єкта сушіння), і значної економії електроенергії пристроєм ( від 1,4 до 4,7 разів у залежності від типу об'єкта сушіння).

СПИСОК ДРУКОВАНИХ ПРАЦЬ АВТОРА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.Петровский В. Я. Роль жидкой фазы в формировании свойств сиалоновой керамики // Polski biuletyn ceramiczny. Ceramika. ѕ 1994. ѕ N7(45). ѕ S. 41ѕ51.

2.Петровский В. Я. Диэлектрические свойства керамики на основе нитрида алюминия // Polski biuletyn ceramiczny. Ceramika.ѕ 1995. ѕ N9(47). ѕ S.73ѕ85.

3.Петровский В.Я. Электрическая прочность композитов на основе нитрида кремния // Polski biuletyn ceramiczny. Ceramika. ѕ 1994. ѕ N7(45). ѕ S. 63ѕ73

4.Pietrowskij W. Ceramika z azotku krzemu // Prace ITME. ѕ Warszawa: ITME. ѕ 1993. ѕ Zeszyt 40. ѕ 52 s.

5.Петровский В. Я. Применение проводящих композитов на основе Si3N4 в электрических теплоизлучателях широкого диапазона. I. Получение функционального элемента // Порошковая металлургия. ѕ 1998. ѕ N 3/4. ѕ С. 52ѕ61.

6.Петровский В. Я. Применение проводящих композитов на основе Si3N4 в электрических теплоизлучателях широкого диапазона. II. Энергетические характеристики цельнокерамического теплоизлучателя // Там же. ѕ 1998. ѕ N 5/6. ѕ С. 62ѕ70.

7.Петровский В. Я. Применение проводящих композитов на основе Si3N4 в электрических теплоизлучателях широкого диапазона. III. Долговечность цельнокерамических теплоизлучателей // Там же. ѕ 1998. ѕ N 7/8. ѕ С. 50ѕ54

8.Petrovski V. Method of studying the SIALON wetting with oxides of silicon, aluminum, calcium and titanium // Key Engineering Materials. ѕ 1993. ѕ 89ѕ91. ѕ P. 265ѕ268.

9.Petrovski V. Dielectric properties and thermal conductivity of SIALON with titanium additives // Key Engineering Materials. ѕ 1993. ѕ 89ѕ91. ѕ P. 455ѕ459.

10.Pietrowskij W. Formowanie folii ceramicznych dla wykonania gradientowego kompozytu zawieraj№cego O`-Sialon // Polski biuletyn ceramiczny. Ceramika. ѕ 1997. ѕ N16 (54). ѕ P. 249ѕ258.

11.Петровский В. Я., Скороход В. В физические принципы и технологические аспекты получения градиентных композитов на основе бескислородной керамики / Порошковая металлургия . ѕ 1999. ѕ № 3/4. ѕ С. 3ѕ16.

12.Скороход В. В., Петровский В. Я., Гетьман О. И. Особенности микроструктуры проводящих композитов на основе нитридов алюминия и кремния с добавками тугоплавких металлоподобных соединений переходных металлов // Polski biuletyn ceramiczny. Ceramika. ѕ 1996. ѕ N 12 (50). ѕ- Р. 17ѕ27.

13.Болгар А. С., Блиндер А. В., Петровский В. Я. Теплофизические свойства материалов на основе нитрида кремния // Порошковая металлургия. ѕ 1995. ѕ № 3/4 . ѕ С. 43 ѕ 47

14.Петровский В.Я., Касьяненко А.А., Молочаева Л.И. Механические свойства и теплопроводность горячепрессованной нитридной керамики.//"Новые порошковые материалы и технологии в машиностроении”, Научно-технический сборник. ѕ Киев: ИПМ. ѕ- 1988.ѕ С.129-134.

15.Петровский В.Я., Молочаева Л.И. Эмпирические соотношения для концентрационных зависимостей диэлектрических потерь и электрической . прочности композитов диэлектрик-металл // “Физическое материаловедение и физ.- хим. основы порошковой металлургии ", Научно-технический сборник .ѕ Киев: ИПМ.ѕ 1989.ѕ С.133-138.

16.Петровский В. Я., Верховодов П. А., Кондрашев А. И. Взаимодействие нитрида кремния с карбидами циркония, гафния и гексаборидом лантана при горячем прессовании порошков // Порошковая металлургия. ѕ 1995. ѕ N 3/4. ѕ С. 66 ѕ 70.

17.Wpіyw domieszek metali przejњciowych na strukturк i wіasnoњci fizyczne ceramiki azotowej./ Pietrowskij W., Kondraszew A., Raabe J.// Polski biuletyn ceramiczny. Ceramika. ѕ 1992. ѕ N3 (41). ѕ P. 52ѕ54

18.Pietrowskij W., Raabe J., Bobryk E., Ranachowski J. Badanie kinetyki rozprzestrzeniania siк pкknieс w tworzywach ceramicznych na podstawie zmian opornoњci i emisji akustycznej pod obci№їeniem mechanicznym // Materiaіy elektroniczne. ѕ 1992. ѕ N2 (78). ѕ S. 34ѕ45.

19.Pietrowskij W., Kirilenko W., Raabe J., Bobryk E Zastosowanie emisji akustycznej i przewodnictwa elektrycznego w trуjpunktowym zginaniu tworzyw ceramicznych /.// Prace IPPT. ѕ- Warszawa: IPPT.ѕ 1993.ѕ N36. ѕ 74 s

20.Ranachowski J., Rejmund F., Raabe J., Pietrowskij W. Interrelation between acoustic emission and electrical conductivity in ceramics under mechanical load // Acoustic Letters. ѕ 1993. ѕ 16, No.7. ѕ P. 167ѕ169

21.Петровский В.Я., Раабе Ю., Бобрик Е., Кириленко В.М. Исследование взаимосвязи между структурой, электрофизическими свойствами и акустической эмиссией при механическом разрушении керамики / Polski biuletyn ceramiczny. Ceramika. ѕ 1994. ѕ N7 (45). ѕ P. 213ѕ231.

22.Pietrowskij W., Olejnik G., Raabe J. Oddziaіywanie faz miкdzyziarnowych w zіoїonych sialonach// Polski biuletyn ceramiczny. Ceramika. ѕ 1992. ѕ N3 (41). ѕ S. 45ѕ50.

23.Касьяненко А. А., Шипилова Л. А., Петровский В. Я. Структура и электрофизические свойства горячепрессованных материалов в системе Si3N4ѕSiC.I. Структурообразование и фазовый состав // Порошковая металлургия. ѕ 1992. ѕ №7. ѕ С. 52ѕ57.

24.Касьяненко А. А., Петровский В. Я., Шипилова Л. А., Чугунова С.И.. Структура и электрофизические свойства горячепрессованных материалов в системе Si3N4ѕSiC. III. Влияние электромагнитных и тепловых полей на электрофизические свойства // Порошковая металлургия. ѕ 1992. ѕ №9. ѕ С. 95ѕ99..

25.Петровский В. Я., Юпко В. Л. Взаимодействие расплава смеси оксидов титана, алюминия и кремния с горячепрессованным нитридом кремния // Порошковая металлургия. ѕ 1993. ѕ № 5. ѕ С. 39ѕ44.

26.Pietrowskij W., Reжko W. Wpіyw wкgla i њrodowiska spiekania na wіasnoњci elektryczne ceramiki z azotku krzemu // Szkіo i Ceramika. ѕ 1993. ѕ N 1. ѕ S. 13ѕ15.

27.Pietrowskij W., Reжko W. Monolityczne elementy grzejne z azotku krzemu // Szkіo i ceramika. ѕ 1993. ѕ N 6. ѕ S. 15ѕ16.

28.Гнесин Г. Г., Гервиц Е.И., Шипилова Л. А., Петровский В. Я. и др. Резистивная композиция Si3N4ѕZrC I. Концентрационная зависимость электропроводности // Порошковая металлургия. ѕ 1990. ѕ № 4.ѕ С. 80ѕ84.

29.Гнесин Г. Г., Шипилова Л. А., Петровский В. Я. и др. Резистивная композиция Si3N4ѕZrC II. Температурная зависимость электропроводности // Там же. ѕ 1990. ѕ № 6. ѕ С. 74ѕ77.

30.Гнесин Г. Г., Гриднева И.В., Петровский В. Я. и др. Механические характеристики электротехнических материалов системы ѕ Si3N4ѕSiC // Там же. ѕ 1989. . ѕ N 1 ѕ С. 57ѕ62.

31.Бубнов А. С., Карлов Д.Ф., Петровский В. Я. и др. Характеристики упругости горячепрессованных нитридокремниевых материалов // сб. "Диэлектрики и полупроводники", Межвед. научн.- техн. сборн. ѕ К: Вища школа . ѕ 1989. ѕ С. 40 ѕ 45.

32.Гнесин Г. Г., Касьяненко А. А., Петровский В. Я и др. Влияние условий получения на структурообразование и электропроводность горячепрессованных материалов в системе нитридѕкарбид кремния // Порошковая металлургия. ѕ 1987. ѕ № 2. ѕ С. 51ѕ54.

33.Кириленко В.М., Петровский В.Я., Раабе Ю. Критические тепловые режимы керамических резистивных материалов с положительным ТКС // Polski biuletyn ceramiczny. Ceramika. ѕ 1995. ѕ N9 (47). ѕ S. 85ѕ89.

34.Шипилова Л.А., Петровский В.Я. Электрофизические характеристики резистивной композиции // Polski biuletyn ceramiczny, Ceramika.ѕ 1996.ѕ Nr12 (50).ѕS.61ѕ69.

35.Кириленко В.М., Петровский В.Я., Раабе Ю., Цикалов В.Г. Исследование электрофизических характеристик резистивных материалов на основе нитрида кремния // Polski biuletyn ceramiczny. Ceramika. ѕ 1996. ѕ N12 (50). ѕ S. 103 ѕ 109.

36.Бойцов О. Ф., Петровский В. Я. Влияние фрактальной размерности перколяционных кластеров на проводимость резистивных композиций // Wspoіczesna ceramika, wybrane technologie i metody badaс / Pod. red. J.Ranachowski, J.Raabe.- Warszawa: ATOS, 1998. ѕ S. 213ѕ219.

37.Скороход В. В., Петровский В. Я. Влияние состава связующего дисперсной системы на уплотнение и структурообразование композитов на базе сиалоновых смесей // Реологічні моделі та процеси деформування пористих i композиційних матеріалів. ѕ Луцьк, 1997. ѕ С. 50ѕ51.

38.Rak S., Correia L., Petrovsky V. Elektrish geleidende keramiek // Klei, glas en keramiek. ѕ 1998, N 11. ѕ P. 17ѕ21.

39.Pat. 167542 PL MKI C04 B 35/58. Ceramiczny element grzejny /Piotrowski W., Katasyznski W., Chmielecki W.i inne. ѕ Опубл. 30.09.95.

40.Pat. 94917644.0-2211 Europ., MKI H05B 3/14. Keramisches Heizelement sowie Verfahren zur Herstellung eines solchen Heizelements / Petrowski W.(Ukraine). ѕ Опубл. 09.02.95.

АНОТАЦИИ

Петровский В.Я. Физико-технические основы и технологические принципы получения функциональных градиентных керамических материалов на базе бескислородных тугоплавких соединений. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.16.06 - Порошковая металлургия и композиционные материалы. - Институт проблем материаловедения НАН Украины, Киев, 1999.

Диссертация посвящена вопросам проектирования и получения керамических изделий нового поколения по технологии функциональных керамических материалов. В диссертации разработано новое направление в технологии передовой керамики, базирующееся на создании цельнокерамического объекта определенного функционального назначения, внутри объема которого формируются функциональные зоны, составляющие единое целое с объектом и определяющие его уникальные потребительские характеристики.

Целью работы является разработка физических основ и технологических принципов создания методами порошковой металлургии нового поколения многофазных керамических композитов, состоящих из нескольких различных материалов на основе бескислородных тугоплавких соединений, взаимное расположение которых в объеме цельнокерамического изделия изменяется целенаправленно для реализации оптимума функционального свойства композита и создание нового типа керамических функциональных элементов для их использования в качестве высокоэффективных преобразователей электрической энергии в другие виды энергии.

Эта цель достигается разработкой: новых технологических приемов и процессов, обеспечивающих заданную эволюцию структуры материала, достоверных способов предсказания уровня физических свойств керамических материалов, составляющих функциональные зоны градиентного композита, в зависимости от состава материала и его структуры, а также разработкой простых и эффективных методов контроля качества как готовых изделий из функциональных градиентных материалов, так и их полуфабрикатов.

В работе впервые получены данные о механизмах организации микроструктуры керамических композитов на основе нитрида кремния различного функционального назначения, изготовленных в условиях спекания в присутствии взаимодействующей жидкой фазы. Исследованы кинетические закономерности и определены механизмы взаимодействия различных добавок как для изоляционных материалов на основе b-нитрида кремния и О`-сиалона, так и для резистивных керамических композитов с той же основой, но с добавками TaN, ZrC, HfC, B4C, SiC) в процессах гетерофазного взаимодействия при горячем прессовании материалов в различных средах (азот, аргон, вакуум, воздух ) и в присутствии продуктов пиролиза органических связующих. Впервые подобные исследования были проведены систематически и с учетом дальнейшего влияния морфологии микроструктуры на закономерности электропереноса в изоляционных и резистивных керамических композитах.

Впервые разработаны технологические принципы управления процессом образования макроструктуры функционального градиентного композита, основанные на подборе оптимального сочетания материалов для функциональных зон ФГМ химической активности компонентов как на этапе формования керамических листов и формирования функциональных профилей ФГМ, так и под воздействием температурно-временных факторов, давления и состава среды спекания. Впервые подобные исследования были проведены систематически и с учетом дальнейшего влияния морфологии макроструктуры ФГМ на закономерности теплоообмена с окружающей средой на поверхности материала.

Усовершенствована физическая модель электропроводности керамического материала типа “диэлектрикѕметалл” за счет учета явлений, происходящих на границах зерен кристаллитов фазы включения. На базе усовершенствованной модели впервые разработана методика оценки морфологии структуры такого композита, основанная на регистрации его электропроводности в заданных условиях, а также установлена количественная взаимосвязь между расчетными характеристиками микроструктуры материала и параметрами технологического процесса его получения, на основе которой впервые предложена эффективная методика производственного контроля.

Впервые установлена физическая природа не монотонности температурной зависимости сопротивления проводящих керамических композитов и предложены технологические принципы управления этой характеристикой. Это решение позволяет получать резистивные самостабилизирующиеся активные слои ФГМ, обеспечивающие надежную работу градиентного композита в режиме излучения тепловых потоков большой плотности.

Впервые разработана физическая модель электропереноса в керамическом объекте, подвергающемся воздействию механического или термического нагружения. На основе этой модели создан новый метод финишного контроля качества крупногабаритных керамических изделий или ФГМ, позволяющий с высокой достоверностью прогнозировать срок службы изделия.

Впервые разработана методика проектирования функционального элемента электротехнического назначения на основе оптимизации характеристик функциональных зон градиентного материала. Впервые она применена для получения на базе бескислородных тугоплавких соединений нового типа конверсионных преобразователей, а именно: цельнокерамических нагревателей, совмещенных керамических эмиттеров и балластных резисторов, а также диэлектрических подложек со встроенной коммутацией.

Автором реализован опытно-промышленный технологический процесс получения функциональных градиентных материалов. Указанный процесс характеризуется двумя основными преимуществами: позволяет получать такие керамические изделия, которые не могут быть изготовлены в рамках традиционной технологии; обеспечивает вдвое больший выход годных при тех же сырьевых и энергетических затратах.

В рамках этого процесса были выпущены высокоэффективные и экономичные цельнокерамичекие преобразователи электрической энергии в тепловую ѕ нагреватели и инфракрасные излучатели, а также новые функциональные приборы для лазерной техники ѕ совмещенные эмиттеры газоразрядных камер технологических лазерных установок, и функциональные приборы для микроэлектроники ѕ диэлектрические подложки со встроенной коммутацией шин питания и земли.

Основа практического использования созданных градиентных композитов заложена в разработанных соискателем практических рекомендациях по применению цельнокерамических нагревателей и инфракрасных излучателей в бытовых электроприборах и устройствах новой техники. Цельнокерамические нагреватели и инфракрасные излучатели на основе функциональных градиентных материалов были испытаны более чем на 17 предприятиях Украины, России, Польши и Германии, в результате чего доказана их высокая эффективность. Результаты работы нашли практическое применение в проектировании и производстве и других типов функциональных керамических элементов, таких как подложки для микросборок микрокристаллических модулей, и совмещенные с балластными резисторами керамические эмиттеры газоразрядных камер технологических лазеров.

Оригинальность методики, разработанной автором, подтверждена полученным им Европейским патентом. За комплекс работ по организации промышленной реализации результатов одного из этапов работы автор был удостоен в 1989 году Государственной премии Украины в области науки и техники.

Ключевые слова: бескислородные соединения, функциональные градиентные материалы, керамика, горячее прессование, микроструктура, анализ, электрофизические свойства, перколяция, контроль качества, резистивные материалы, нагреватели, подложки микросборок

Петровський В.Я. Фізико-технічні основи та технологічні принципи одержання функціональних градієнтних керамічних матеріалів на базі безкисневих тугоплавких сполук. Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня доктора технічних наук за фахом 05.16.06 - "Порошкова металургія і композиційні матеріали" .- Інститут проблем матеріалознавства НАН України, Київ, 1999.

Дисертація присвячена питанням проектування та отримання керамічних виробів нового покоління за технологією функціональних керамічних матеріалів. У дисертації розроблений новий напрямок у технології спеціальної кераміки, що базується на створенні суцільно керамічного об'єкта цільового функціонального призначення, в об'ємі якого формуються функціональні зони, що становлять єдине ціле з об'єктом і визначають його унікальні споживчі характеристики. Вперше встановлено закономірності змін властивостей типу провідність в керамічних резистивних композитах з врахуванням просторового обмеження резистивної області і розроблений новий оригінальний метод комп'ютерного моделювання властивостей керамічних композитів на кожному етапі технологічного процесу. Встановлені закономірності застосовані, як для цілей проектування нових виробів з таким рівнем експлуатаційних характеристик, що не може бути реалізований існуючими (традиційними) методиками одержання керамічних матеріалів, так і для цілей незнищующого контролю якості традиційних і нових багатофазних композитiв. Оригінальність методики, розробленої автором, підтверджена отриманим Європейським патентом. Основні результати роботи знайшли практичне застосування в проектуванні і виробництві нових типів функціональних керамічних об'єктів, таких як: підложки для мiкрозборок мікрокристалічних модулів; інфрачервоні випромінювачі і нагрівальні елементи широкого призначення; суміщені керамічні емітери та баластні опори газорозрядних камер технологічних лазерів. За комплекс робіт по організації промислової реалізації результатів одного з етапів роботи автор у 1989 році був визнаний гідним Державної премії України в області науки і техніки.

Ключові слова: безкисневi сполуки, функціональні градієнтні матеріали, кераміка, гаряче пресування, мікроструктура, аналіз, електрофізичні властивості, перколяцiя, контроль якості, резистивнi матеріали, нагрівачі, пiдложки мікрозборок

Petrovsky V.Ya. Physique-technical basses and technological principles for manufacturing of functional gradient ceramic materials on the base of oxygen free refractory compounds. Manuscript

Thesis for doctorate competition on technical sciences on specialty 05.16.06 - Powder metallurgy and composite materials. Institute for Problems of Materials Science NASc. of Ukraine, Kiev, Ukraine, 1999.

Thesis is devoted to the problems of designing and manufacturing of ceramic products of new generation under the technology of functional ceramic materials. New direction in the technology of advanced ceramics, which is based on making of monoblock object of definite functional designation within which volume functional zones, composing one block with object and defining its unique consumer characteristics are formed, was developed in thesis. Regulations of formation of conductivity type properties in ceramic resistor composite accounting space limitation of resistor area was determined for the first time and new original computer modeling method for ceramic composites type at each stage of technological process was developed. Determined regulations were applied with the aim of designing of new products with such level of service characteristics, that can not be realized by existing (traditional) ceramic material's manufacturing methods and as far with the aim of nondestructive method of quality control for traditional and new multiphase composites. Unique principle of the method, developed by author, is protected by European patent. Main results of the work were implemented during designing and manufacturing of the new types of functional ceramic objects, such as: substrates for microcrystal modules microassemblies; infrared radiators and heating elements of wide application; ballast resistors; ceramic emitters. The author was awarded with the State Prize of Ukraine in the field of science and technique in 1989 for the set of works on arranging of industrial implementation of one stage of work results.

Key words: oxygen free compound, functional gradient materials, ceramics, hot pressing, microstructure, analysis, electrophysicss, percolation, quality control, resistor materials, heaters, substrates

Размещено на Allbest.ru