Вплив фазо- та структуроутворення в умовах іскроплазмового спікання на формування властивостей оксидних керамік В6О, Ce0,8Sm0,2O1,9
| dc.contributor.author | Солодкий, Євген Васильович | |
| dc.contributor.degreedepartment | високотемпературних матеріалів та порошкової металургії | uk |
| dc.contributor.degreefaculty | інженерно-фізичний | uk |
| dc.contributor.degreegrantor | Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут" | uk |
| dc.date.accessioned | 2014-12-22T15:40:19Z | |
| dc.date.available | 2014-12-22T15:40:19Z | |
| dc.date.issued | 2014 | |
| dc.description.abstracten | Thesis to obtain candidate of technical sciences scientific degree on specialty 05.16.06 – powder metallurgy and composite materials. National Technical University of Ukraine “Kiev Polytechnic Institute”, Kiev, 2014. One of the key areas of modern materials science is the development of materials based on oxide ceramics for structural and electrical applications. Oxide ceramic materials having unique crystallographic structure own a number of superior properties: high hardness, wear resistance, corrosion resistance, high temperature resistance, electrical conductivity in combination with low density. Typically, sintering is the final step in ceramic materials fabrication and directly defines their functional properties. The Spark plasma sintering (SPS) method is a relatively novel technique of consolidation of materials that uses a pulsed DC current simultaneously with a uniaxial pressure. This method has been applied successfully to consolidate the difficult- to-sinter materials such as carbides, nitrides, silicides, borides and is much more effective than hot pressing (HP). The advantages of the SPS process are the possibility to fabricate the bulk materials using relatively short sintering times at nominally low temperatures, and faster consolidation/nucleation processes. One of the specific problems of the SPS method is the diffusion of carbon from the die to the sample. Particularly, this problem is actual for oxide ceramics due to displacement of oxygen by carbon, causing a reduction in the functional characteristics of the material. It is, therefore, of importance to study the principles of oxide ceramic consolidation by SPS in order to control the phase composition and structure of the materials. Boron suboxide (B6O) is considered to be the fourth hardest material after only diamond (70 -100 GPa), cBN (∼60 GPa) and B4C (40-45 GPa) due to its hardness of 24-45 GPa. Besides high hardness, B6O-based materials have low density and high chemical resistance, making them potentially useful as abrasives and for other high-wear applications. In addition, due to attractive combination of engineering properties B6O-based materials are potentially suitable for applications in nuclear power engineering and thermoelectric energy converters. These unique properties suggest B6O as a promising candidate to replace diamond and cBN based materials for different applications. Unlike both diamond and cBN that are obtained under high pressure synthesis conditions, synthesis of boron suboxide can be successfully performed under ambient pressure. Development of new and optimization of existing methods of B6O synthesis in conjunction with SPS technique for the synthesis and consolidation, result in the fabrication of dense ceramic with well-specified phase composition and desired structure. The substantial increase in functional properties of ceramics is expected. Application of SPS technique to obtain dense ceramic electrolyte for solid oxide fuel cells (SOFC) is underdeveloped due to the diffusion of carbon from the die to the sample. There are also no systematic studies of the influence of structural features on the electrical conductivity of the SPSed electrolyte based on cerium oxide. Therefore, a systematic study of the influence of SPS parameters on the structure of dense electrolyte is required. Also optimization of the SPS parameters for further minimize the negative impact of the diffusion of carbon should be done. The aim of the present study is to develop physical and chemical principles of fabrication of dense oxide ceramics В6О, Ce0.8Sm0.2O1.9 by SPS. The influence of synthesis parameters at atmospheric pressure on phase composition and crystallite size of the В6О powder was investigated. The mixture of B2O3 and amorphous B with mole ratio 1:14 is shown to react and form B6O during SPS and conventional treatment. The optimum SPS temperature and time to obtain B6O phase are 1250 °C and 30 min, respectively. The Rietveld refinement of the XRD patterns indicates that the oxygen occupancy of B6Ox is reasonably high at x=0.89. Electron micrographs have shown that each star shape particle have five unique vertices with thickness of around 40 nm. The formation of the star shape crystal could be explained by the fivefold cyclic twinning of boron suboxide crystallites in a close pack configuration. This contribution, for the first time, reports the consolidation of hard and tough B6O bulks using the SPS technique. The influence of types of protection, i.e. inner surface of graphite die wrapped only with graphite foil, BN coating, and tantalum foil on phase compositions and properties of bulk ceramic was studied. As a result, tantalum foil was proposed to prevent carbon diffusion from the die to the sample. Thus SPS-ed specimens with densities of >=98% was obtained, while the combination of hardness of 34 GPa and fracture toughness of 4 MPa m1/2 was achieved. The influence of B4C content on phases composition of B6O-xB4C (x=0, 3, 5, 10, 20, 40 wt%) composite ceramics was elucidated in the present work. Ceramics fabricated by SPS demonstrated a significant improvement in the mechanical properties. Dense B6O-10wt%B4C composite material with hardness higher than 40GPa and fracture toughness of 4.82 MPa·m1/2 was obtained. A one-step in-situ reactive SPS for fabrication high dense B6O ceramic was designed and applied for the first time. The prepared B6O dense ceramic has Vickers hardness (36.7±1.2 GPa) and fracture toughness (K1С=4.2±0.15 MPa.m1/2) comparable with the highest values reported in the literature for the bulks obtained from already reacted B6O powders (ex situ routes). A comprehensive study of the influence of structural parameters on the electrical conductivity of the electrolyte Ce0.8Sm0.2O1.9 was carried out. The influence of spark plasma sintering parameters on microstructure and electrical conductivity of the ceramics was investigated. The effectiveness of lowemperature post-SPS annealing in air to compensate the oxygen deficient on the grain boundaries nanostructural ceramics was demonstrated. As a result, higher grain boundary conductivity of the electrolyte was achieved. | uk |
| dc.description.abstractru | Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.16.06 – порошковая металлургия и композиционные материалы. Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт», 2014. Диссертационная работа посвящена созданию физико-химических основ получения высокоплотной керамики В6О, В6О-В4С и Ce0,8Sm0,2O1,9 с повышенными физико-механическими свойствами путем контроля процесса синтеза и уплотнения в условиях искроплазмового спекания (ИПС). Экспериментально установлено влияние параметров процесса синтеза при атмосферном давлении и в условиях ИПС на фазовый состав и дисперсность порошка В6О. Предложено решение проблемы диффузии материала графитовой матрицы в порошковое тело при ИПС. Предложено и оптимизировано методику получения плотной керамики В6О с гомогенной структурой и заданным фазовым составом методом ИПС. Разработаны керамические композиты В6О-В4С и установлено, что состав 90мас.% В6О – 10мас.% В4С является оптимальным и имеет твердость 40,8±1,3 ГПа и трещиностойкость 4,8±0,2 МПа•м1/2. Показана высокая эффективность методики одностадийного реакционного синтеза/спекания керамики В6О в условиях ИПС и оптимизированы температурно-временные параметры процесса. Установлены закономерности повышения механических свойств путем сравнения применения условий ИПС на различных стадиях синтеза/спекания. Результатом исследования процесса одностадийного синтеза/спекания в условиях ИПС является получение высших значений твердости 36,7±1,2 ГПа и трещиностойкости 4,2±0,1 MПa•м1/2 керамики В6О. Проведено комплексное исследование влияния структурных параметров на электрическую проводимость электролита Ce0,8Sm0,2O1,9. Показано эффективность механизма стабилизации границ зерен наноструктурной керамики путем низкотемпературного отжига на воздухе после ИПС, что позволило контролировать размер зерен и плотность, а также осуществить насыщение границ зерен кислородом для получения нужной структуры и повышения зернограничной составляющей электрической проводимости электролита. | uk |
| dc.description.abstractuk | Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.16.06 – порошкова металургія та композиційні матеріали. Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», 2013. Дисертаційна робота присвячена створенню фізико-хімічних основ одержання високощільної кераміки В6О, В6О-В4С та Ce0,8Sm0,2O1,9 з підвищеними фізико- механічними властивостями шляхом контролю процесу синтезу та ущільнення в умовах іскроплазмового спікання (ІПС). Експериментально встановлено вплив параметрів процесу синтезу при атмосферному тиску та в умовах ІПС на фазовий склад та дисперсність порошку В6О. Запропоновано вирішення проблеми дифузії графіту з матриці в порошкове тіло під час ІПС. Запропоновано та оптимізовано методику отримання щільної кераміки В6О з гомогенною структурою та заданим фазовим складом методом ІПС. Розроблено керамічні композити В6О-В4С та показано, що склад 90мас.%В6О-10мас.%В4С є оптимальним і має твердість 40,8±1,3 ГПа та тріщиностійкість 4,8±0,2 МПа·м1/2. Показано високу ефективність методу одностадійного реакційного синтезу/спікання кераміки В6О в умовах ІПС та оптимізовано температурно-часові параметри процесу. Встановлено закономірності підвищення механічних властивостей шляхом порівняння застосувань умов ІПС на різних стадіях – синтезу та/чи спікання. Результатом дослідження процесу одностадійного синтезу/спікання в умовах ІПС є отримання найвищих значень твердості 36,7±1,2 ГПа та тріщиностійкості 4,2±0,1 MПa·м1/2 кераміки В6О. Проведено комплексне дослідження впливу структурних параметрів на електричну провідність електроліту Ce0,8Sm0,2O1,9. Показано дієвість механізму стабілізації границь зерен наноструктурної кераміки шляхом низькотемпературного відпалу на повітрі, що дозволяє реалізувати чіткий контроль кінцевого розміру зерна і густини, та забезпечити насичення границь зерен киснем для отримання бажаної структури та підвищення зернограничної складової електричної провідності електроліту. | uk |
| dc.format.page | 26 л. | uk |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/9961 | |
| dc.language.iso | uk | uk |
| dc.publisher | Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут" | uk |
| dc.publisher.place | Київ | uk |
| dc.status.pub | published | uk |
| dc.subject.udc | 621.762.21/24+621.762.52/53 | uk |
| dc.title | Вплив фазо- та структуроутворення в умовах іскроплазмового спікання на формування властивостей оксидних керамік В6О, Ce0,8Sm0,2O1,9 | uk |
| dc.type | Other | uk |
| thesis.degree.level | candidate | uk |
| thesis.degree.name | кандидат технічних наук | uk |
| thesis.degree.speciality | 05.16.06 – порошкова металургія та композиційні матеріали | uk |