План реферата 1. Найти диаграмму состояний (ссылки на литературу) 2. Соединения образующие эту систему: - какие связи образуют - какая будет решетка - подвижность атомов в решетке при высоких температурах 3. Наличие взаимодействий в системе: - оценить взаимодействия используя закон Гесса - рассчитать по энтальпии исходных продуктов и оценить, когда энергия Гиббса переходит через 0 4. Описание механизмов происходящих при спекании 5. Как ведут себя компоненты при повышенных температурах - плавятся без разложения/ разлагаются на другие фазы; - когда в системе будет появляться жидкая фаза; 6. Давление среды (наличие этой среды или ее отсутствие (вакуум)) - что меняется в системе, когда меняем среду 7. При каких условиях мы можем получить изделие - пояснить почему выбрали такие условия 8. Как будет размещаться заготовка в печи Материалы на основе керамик типа Al2O3 – Y2O3 делаются из трех основных фаз: алюминиевого перовскита (YAlO3 или YAP), моноклинного иттрий-алюминия ( Y4Al2O9 или YAM) и иттрий-алюминиевого граната (Y3Al5O12 или YAG). Фазы допируются редкоземельными металлами для получения свойств полезных для оптического применения: лазеров, сцинтиляторов, стекол различного назначения. Существуют также метастабильная фаза гексагонального иттрий-алюминия (YAH), существующего недолго в нестабильбном состоянии и тут же трансформируеющаяся в YAG, а потому на ней внимание заостряться не будет. Связи в системе оксидные, реализованы по сложным структурам, представленным в сводной таблице для каждой фазы. Структура Al2O3 Коррунд (ромбоэдр) Пространственная Параметр группа решетки, Å R3c a = 4,719 c = 12,818 YAG Y3Al5O12 стабильная YAP - YAlO3 стабильная Гранат (кубическая) Перовскитоподобная Pbnm (орторомбическая) YAM Моноклинная Y4Al2O9 метастабильная Y2O3 Ia3d Биксбиитовая (кубическая) P63/mmc Ia3 a = 12,016 a = 12,016 b = 5,1378 c = 7,3086 a = 7,4706 b = 10,536 c = 11,1942 β = 108,888 a =10,6017 Фазы YAG, YAP, YAM при этом плавятся конгруэнтно. Ниже представлены рисунки каждой из фаз присутсвующих в данной системе. Y4Al2O9 от First-principles Study of Point Defects in Stoichiometric and Nonstoichiometric Y4Al2O9 - Scientific Figure on ResearchGate. Available from: https://www.researchgate.net/figure/Crystal-structure-of-YAM_fig2_259520216 [accessed 28 Dec, 2021] Y3Al5O12 - Synthesis of Y3Al5O12:Ce3+ phosphor in the Y2O3–Al metal–CeO2 ternary system - Scientific Figure on ResearchGate. Available from: https://www.researchgate.net/figure/The-Y3Al5O12-crystal-structure-The-unitcell-is-outlined-Al-and-O-lone-atoms-are_fig1_318975200 [accessed 28 Dec, 2021] Electron paramagnetic resonance studies of manganese and cobalt ions in YA1O(3) crystals - Scientific Figure on ResearchGate. Available from: https://www.researchgate.net/figure/The-unit-cell-of-YAlO-3-YAP-crystal-andorientations-of-the-sample-for-measurement_fig1_278061498 [accessed 28 Dec, 2021] Наличие взаимодействий в системе По материалам исследования проведенного группой Фабричной, Сайферта и Навротской: В табллице выведены все взаимодействия в системе Al2O3 – Y2O3, не считая SiO2. Энергия Гиббса и оценки взаимодействий Механизмы протекающие при спекании Керамика Al2O3 – Y2O3 спекается твердофзно. Литературные источники сообщают, что реакции протекают по различному сценарию в зависимости от насщенности данной фазы иттрием (YAM) или перовскитом (YAP). По сообщению Neiman AY, во время спекания по межзеренному пространству происходит диффузия ионов алюминия в структуру Y2O3. Таким образом становится ясно почему первая фаза, появляющаяся при относительно низких температурах во время твердофазной реакции – это YAM, а для получения чистой фазы YAG необходимы температуры свыше 1500 C. Подвижность атомов в системе Литературные исследования по кинетике реакций Y2O3 – Al2O3 были исследованы методом тонких пленок. На представленной на рисунке схеме изображена экспериментальная установка Установка не в масштабе – образец прикрыт платиновой фольгой, в контакт приведены пленки оксида иттрия и корунда. Спекание проводилось 15 часов при температуре в 1400 С. Снимки на сканирующем электронном микроскопе явно показывают грани различных фаз в месте соприкосновения двух тонких пленок и взаимное проникновение материалов друг в друга. Структура YAG, как говорилось выше, образовалась в месте избытка корунда, а YAM в местек с высоким доступом к Y2O3. Между ними малостабильная фаза YAP. Представленный график показывает зависимость толщины dXi, где i = M, P, G – это фазы YAM, YAP, YAG измеренной СЭМ от скорости реакции. Применив уравнения, авторы смогли выявить катионные проводимости для фазы YAG: σY3+ =3,8*10^(-8) S*cm-1 σAl3+ =5,9*10^(-7) S*cm-1 При этом число переноса для Al3+ будет tAl3+=0.94 Компоненты при повышенных температурах Рассмотрим более подробную диаграмму состояния На диаграмме указаны эвтектические области, области существования чистых фаз и расплавов. В таблице ниже приведен список компонентов участвующих в реакциях. В областях выше линий солидуса при температурах 1829 Со, 1914 Со, 1923 Со, 1977 Со слева-направо присутствуют расплавы корунда, YAG и других присутствующих на диаграмме веществ. Ниже линий солидуса представлены эвтектические и одна перетектическая система. Слева-направо по диаграмме Al2O3 Коррунд + YAG YAG (Y3Al5O12) YAG + YAP YAP (YAlO3) Точки плавления, C Комментарий 2052 1826 1932 1908 1924 YAM (Y4Al2O9) YAM + Y2O3 2016 1977 Вещество Эвтектика (E1=19,5%) Вещество Эвтектика (E2=44.9%) Перитектическая реакция, вещество (P=49,1%) Вещество Эвтектика (E3=78,6%) Выбор условий спекания Повышенное давление интенсифицирует диффузию, уменьшает пористость, позволяет проводить спекание при пониженных температурах. Вакуум, при выдержке заготовки в печи, позволяет удалять газы из пор внутри заготовки, исключает внедрение примесей азота в керамику. При выборе температуры спекания, руководствуются эмпирическим правилом: температура спекания должна составлять 0,8 от температуры плавления вещества данного состава. Размещение заготовки в печи: Заготовка располагается в центре печи для обеспечения равномерного теплораспределения. При постановке необходимо убедиться в том, чтобы подложка на которой установлена заготовка сделана из инертного вещества, во избежание инфильтрации вещества подложки в заготовку. Если заготовка крупная, стоит уделить повышенное внимание распределению температур и тепловых потоков печи во избежание неравномерного прогрева, а, как следствие,
