RU2691181C1 - Способ изготовления высокоплотных объемных керамических элементов с использованием электрофоретического осаждения наночастиц (варианты) - Google Patents

Способ изготовления высокоплотных объемных керамических элементов с использованием электрофоретического осаждения наночастиц (варианты) Download PDF

Info

Publication number
RU2691181C1
RU2691181C1 RU2018120778A RU2018120778A RU2691181C1 RU 2691181 C1 RU2691181 C1 RU 2691181C1 RU 2018120778 A RU2018120778 A RU 2018120778A RU 2018120778 A RU2018120778 A RU 2018120778A RU 2691181 C1 RU2691181 C1 RU 2691181C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
acetylacetone
nanoparticles
suspension
mass
nanopowder
Prior art date
Application number
RU2018120778A
Other languages
English (en)
Inventor
Максим Геннадьевич Иванов
Елена Григорьевна Калинина
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт электрофизики Уральского отделения Российской академии наук (ИЭФ УрО РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт электрофизики Уральского отделения Российской академии наук (ИЭФ УрО РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт электрофизики Уральского отделения Российской академии наук (ИЭФ УрО РАН)
Priority to RU2018120778A priority Critical patent/RU2691181C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2691181C1 publication Critical patent/RU2691181C1/ru

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/626—Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
    • C04B35/62605—Treating the starting powders individually or as mixtures
    • C04B35/62625—Wet mixtures
    • C04B35/6264—Mixing media, e.g. organic solvents

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области получения керамических материалов и может быть использовано для изготовления высокоплотной, в том числе оптической, керамики. В способе изготовления высокоплотных объемных керамических элементов с использованием электрофоретического осаждения (ЭФО) наночастиц используются слабоагрегированные наночастицы оксидов, полученные методами высокоэнергетического физического диспергирования, например методом лазерного испарения материала или методом электрического взрыва проводника. Проводится подготовка суспензии наночастиц, диспергированных в смеси спирта с ацетилацетоном. Концентрацию ацетилацетона в спирте выбирают, исходя из расчета массы ацетилацетона, приходящегося на общую площадь поверхности наночастиц в суспензии, по формуле m=, где- масса ацетилацетона, приходящаяся на единицу поверхности нанопорошка, мг/м, величинавыбирается так, чтобы она составляла от 0,1 мг/мдо 10 мг/м(в большинстве случаев 1 мг/м); S– удельная поверхность нанопорошка, м/г; m– масса нанопорошка, г; m– масса ацетилацетона, мг. Концентрацию наночастиц в суспензии выбирают в диапазоне от 0,1 до 10 вес. %. Во время осаждения применяется прокачка суспензии со дна ячейки для осаждения в её верхнюю часть. ЭФО осуществляют при постоянной напряженности электрического поля до 50 В/см. Полученный осадок спекают. Для ЭФО также применяют импульсное напряжение в виде пилообразных однополярных импульсов со скоростью нарастания напряжения в импульсе, регулируемой от 1*10В/с до 1*10В/с, и напряженность электрического поля до 100 В/см. Технический результат изобретения – уменьшение неоднородности получаемого материала, формирование беспористого компакта. 2 н.п. ф-лы, 1 пр.

Description

Изобретение относится к области получения керамических материалов и может быть использовано для изготовления высокоплотной, в том числе оптической керамики.
Описание области техники.
Известен способ получения оптической керамики из нанопорошков, полученных методом лазерного испарения, при помощи магнитно-импульсного прессования [Fabrication of Nd:Y2O3 transparent ceramics by pulsed compaction and sintering of weakly agglomerated nanopowders / A.S. Kaigorodov, V.V. Ivanov, V.R. Khrustov, Yu.A. Kotov, A.I. Medvedev, V.V. Osipov, M.G. Ivanov, A.N. Orlov, A.M. Murzakaev // Journal of the European Ceramic Society, 2007, Vol. 27, pp.1165-1169].
В соответствии с описанным способом нанопорошки твердых растворов Nd:Y2O3 с различным мольным содержанием неодима (1.0% и 3.3%) синтезируют методом лазерного испарения. Синтезированный порошок преобразуют из моноклинной в кубическую модификацию кристаллической решетки путем прокаливания на воздухе при температуре 800-1200°C для того, чтобы избежать растрескивания керамики при спекании, седиментируют в изопропиловом спирте для удаления фракции крупных агломератов частиц, сушат и просеивают сквозь сито. Полученные порошки прессуют в диски диаметром 15 и 32 мм и толщиной 0,5–1,5 мм с помощью одноосного магнитно-импульсного пресса при давлении 0,8-1,2 ГПа. Проводят отжиг компактов на воздухе (до 1200 °C) и спекание в вакууме в течение 1-10 ч при 1700 °C. В результате получают оптически прозрачную керамику с хорошо сформированными межзеренными границами со средним размером кристаллитов 30-40 мкм и пористостью 100-1000 ppm с размером пор менее 0,5-1 мкм.
Недостатки данного способа: Особенностью нанопорошков, полученных методом лазерного испарения, является то, что конденсация наночастиц происходит в метастабильном состоянии. В случае оксида иттрия наночастицы находятся в моноклинной фазе, плотность которой на 10% выше, чем плотность кубической фазы. При спекании керамики в таких наночастицах происходит фазовый переход из моноклинной в кубическую модификацию, приводящий, чаще всего, к разрушению керамики. Поэтому данные нанопорошки вынуждены предварительно отжигать в воздухе при температурах от 800 до 1200° С, что приводит к сильной агломерации наночастиц. Наличие агломератов приводит к неоднородному уплотнению и появлению дефектов в компакте и, в последующем, в керамике. Кроме того, магнитно-импульсное прессование со сверхбыстрым уплотнением наночастиц при высоком давлении приводит к появлению механических напряжений в компакте и дефектности керамики, а так же имеет ограничение по геометрическим размерам и форме компакта.
В связи с вышеуказанными недостатками методов одноосного прессования получил развитие метод электрофоретического осаждения (ЭФО) для получения объемных керамических компактов.
Известен способ электрофоретического осаждения многослойных неспеченных компактов [US 5919347А 06.07.1999 «Method of electrophoretic deposition of laminated green bodies» Leah Gal-Or, David Brandon, Roni Goldner, Mizpe Adi, Liudmilla Cherniak, Leonid Perlin, Nina Sezin, Sonia Liubovich].
В соответствии с данным способом осуществляют изготовление многослойных неспеченных керамических компактов методом электрофоретического осаждения из 20% суспензии порошка оксида алюминия (средний размер частиц 0,4 мкм) и порошка диоксида циркония (средний размер частиц 0,3 мкм) в полярном органическом растворителе в виде азеотропной смеси этанола и метилэтилкетона. Порошок предварительно перед ЭФО подвергают отмывке в деионизованной воде с последующей сушкой. В суспензии используют добавку HCl для регулирования рН суспензии. В качестве дисперсанта используют ацетилацетон и хлоруксусную кислоту. Применяют полимерные добавки в качестве связующего – поливинилбутираль, нитроцеллюлозу, шеллак. Осажденный компакт удаляют с катода, проводят сушку в эксикаторе в течение нескольких часов, и спекают на воздухе при температуре 1550° С в течение 4 часов.
Недостатком данного способа является необходимость применения полимерных добавок и дисперсантов, а также введение HCl для регулировки рН суспензии. Применение полимерных добавок приводит к необходимости отжигать компакт после ЭФО для удаления органических соединений. При этом происходит разложение полимеров, выделение газов, что приводит к формированию газонаполненных пор в компакте и, соответственно, дефектов в спеченной керамике.
Кроме того, по мере осаждения наночастиц оксидов во время ЭФО на электроде происходит повышение электрического сопротивления осажденного слоя (что усиливается наличием связующего) и снижение плотности протекающего тока, что с одновременным снижением концентрации оставшихся наночастиц в суспензии приводит к уменьшению скорости осаждения и снижению плотности осаждаемого слоя. Это, в свою очередь, приводит к появлению градиента плотности по толщине компакта и его деформации в процессе сушки. При спекании керамики такая неоднородность распределения плотности по толщине компакта приводит к его существенному деформированию и даже разрушению. Также к недостаткам данного способа относится необходимость проведения дополнительных операций по подготовке порошка перед приготовлением суспензии, а именно, порошок подвергают отмывке в деионизованной воде и сушке.
Известен способ изготовления износостойкого и термоустойчивого материала на основе твердых частиц стеклокерамической матрицы методом ЭФО. [US 7037418 B2 02.05.2006 «Wear and thermal resistant material produced from super hard particles bound in a matrix of glass ceramic electrophoretic deposition» David Brandon, Liudmila Cherniak]
Основой описанного способа является использование метода электрофоретического осаждения для получения композита, состоящего из равномерно диспергированных твердых частиц в стеклокерамике. Образцы имеют широкий диапазон толщины (от нескольких мкм до миллиметров).
Осуществляют электрофоретическое осаждение однородной суспензии, содержащей твердые частицы, например, кубический нитрид бора, алмаз, карбид титана и др. и стеклокерамические частицы, такие как, Сиалон, TiAlON или их смесь с последующим спеканием.
Применяют полярный органический растворитель - этанол. Суспензию подвергают ультразвуковой обработке при частоте 20 кГц и мощности примерно в 550 ватт, от 2 до 15 минут. Для регулировки рН и проводимости в суспензию добавляют фосфатный эфир, уксусную и соляную кислоты. Используют дисперсанты и связующие вещества - рыбий жир, ацетилацетон, поливинилбутираль, нитроцеллюлозу, этилцеллюлозу и шеллак.
Осаждение проводят как на постоянном токе (предпочтительный диапазон плотностей тока составляет от 0,05 мА/см2 до 5 мА/см2) или при постоянном напряжении (предпочтительный диапазон напряжения от 30 В до 400 В). Время от нескольких секунд до нескольких минут.
К недостаткам данного способа следует отнести необходимость применения органических дисперсантов и связующих в суспензии, отсутствие этапа удаления крупных агрегатов, что, как и в случае вышеописанного аналога, приводит к формированию дефектов в керамике.
Известен способ формирования компактов оптической керамики из водных суспензий нанопорошков оксида алюминия, иттрия, иттрий-алюминиевого граната и лютеций-алюминиевого граната [Bredol M., Micior J., Klemme S. Electrophoretic deposition of alumina, yttria, yttrium aluminium garnet and lutetium aluminium garnet. Journal of Material Science,Volume 49, Issue 20, 2014, Pages 6975-6985].
В соответствии с этим способом коммерческие нанопорошки Al2O3 (Sigma-Aldrich), Y2O3 (AlfaAesar) и нанопорошки YAG, LuAG, синтезированные гликотермальным методом из триизопропилата алюминия и ацетата иттрия или лютеция используют для приготовления водных суспензий в присутствии стабилизирующих лигандов. Для стабилизации суспензий добавляют стабилизатор Darvan C-N. Требуемое значение рН достигают добавлением карбоновых кислот, таких как молочная кислота/лактат натрия, малоновая кислота/натрия малонат, L(+)-винная кислота/натрия тартрат, лимонная кислота/цитрат натрия и полиакриловая кислота/натрия полиакриловый каучук. Свежая суспензия подвергается дегазации путем продувки азотом перед применением и используется только один раз для ЭФО. Проводят ЭФО при напряжении до 180 В в течение от 3 до 15 мин.
Недостатками описанного способа являются: повышение электрического сопротивления осажденного слоя, что приводит к снижению плотности последующих осаждаемых слоев и появлению градиента плотности по толщине компакта; образование пузырьков газов на электродах в результате электролиза воды, используемой в качестве дисперсионной среды, вследствие чего возникают дефекты в компакте и, в последующем, в керамике. Поэтому в данном способе вынужденно используется осаждение при пульсирующем токе одной полярности с увеличением амплитуды и длительности импульсов. Применение импульсного тока направлено на снижение образования пузырьков газа. Использование пульсирующего тока требует использования специального генератора и усложняет устройство для ЭФО.
Кроме того, в данном способе не проводится регулирование процессов агрегации частиц в суспензии, в связи с этим при использовании наночастиц в суспензиях происходит образование крупных агрегатов, неоднородное уплотнение частиц в осажденном слое, что в свою очередь ведет к формированию дефектов в спеченной керамике. Приведенные особенности данного способа увеличивают количество дефектов в спеченном образце, и препятствуют получению высокоплотной прозрачной керамики.
По причине указанных недостатков данный способ не позволяет решить поставленную в изобретении задачу.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности (прототип) является способ изготовления высокоплотной, в том числе оптической керамики с использованием электрофоретического осаждения наночастиц [RU 2638205 C1, 12.12.2017, «Способ изготовления высокоплотной, в том числе оптической керамики с использованием электрофоретического осаждения наночастиц», Е.Г. Калинина, М.Г. Иванов].
В соответствии с этим способом слабоагрегированные наночастицы оксидов, полученные методами высокоэнергетического физического диспергирования, например, методом лазерного испарения материала или методом электрического взрыва проводника используют для приготовления самостабилизированной суспензии, которую применяют при проведении электрофоретического осаждения. В качестве дисперсионной среды используют неводную среду - спирты (изопропанол, этанол), кетоны (ацетилацетон, ацетон) и их смеси, при этом концентрацию наночастиц в суспензии выбирают в диапазоне от 0,1 до 10 весовых %. Неводную суспензию нанопорошка обрабатывают ультразвуком с последующим центрифугированием. Проводят ЭФО при напряженности электрического поля от 50 до 300 В/см и плотность тока выбирают от 0,05 мА/см2 до 5 мА/см2 в течение от 1 до 200 мин в зависимости от необходимой толщины заготовки.
Недостатками описанного способа являются:
- При напряженности электрического поля от 50 до 300 В в суспензиях возникают интенсивные потоки, что приводит к неравномерности (волнистости) поверхности компакта, что в свою очередь, обуславливает необходимость шлифовки образца после спекания. В результате шлифовки происходит потеря материала, и возникают ограничения по толщине получаемого компакта. Тем самым, затруднено получение компактов толщиной более 0,5 мм;
-используемые высокие напряженности поля приводят к электролизу, возникновению пузырьков газа на электродах, что приводит к появлению пустот в компакте и в последующем дефектов в керамике;
-при соотношении компонентов ацетилацетона и спирта более 10/90 об.% происходит частичное растворение нанопорошка, содержащего оксиды иттрия, с образованием растворимых хелатных комплексов с ионами металлов, что изменяет состав суспензии;
-в процессе осаждения происходит неконтролируемая агрегация наночастиц в суспензии под действием электрического поля, выпадение агрегатов в осадок, что приводит к быстрому снижению концентрации наночастиц в суспензии, приводящему к снижению скорости осаждения, уменьшению плотности и однородности компакта.
Описание изобретения
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в повышении толщины получаемых элементов высокоплотной оптической керамики более 0,5 мм, уменьшении неоднородности получаемого материала и снижении себестоимости изготовления за счет уменьшения потерь материала.
Решение технической задачи достигается тем, что
1. В способе изготовления высокоплотных объемных керамических элементов с использованием электрофоретического осаждения наночастиц используются слабоагрегированные наночастицы оксидов, полученные методами высокоэнергетического физического диспергирования, например, методом лазерного испарения материала или методом электрического взрыва проводника. Проводится подготовка самостабилизированной суспензии наночастиц, диспергированных в смеси спирта с ацетилацетоном.
Концентрацию ацетилацетона (в спирте) выбирают, исходя из расчета массы ацетилацетона (приходящегося) на общую (суммарную) площадь поверхности наночастиц в суспензии по формуле mHacac=
Figure 00000001
, где
Figure 00000002
 - масса ацетилацетона, приходящаяся на единицу поверхности нанопорошка, мг/м2,
величина
Figure 00000002
выбирается так, чтобы она составляла от 0,1 мг/м2 до 10 мг/м2 (в большинстве случаев 1 мг/м2);
Sуд – удельная поверхность нанопорошка, м2/г;
mnp – масса нанопорошка, г;
mHacac – масса ацетилацетона, мг
При этом концентрация наночастиц в суспензии выбирается в диапазоне от 0,1 до 10 весовых %.
Во время ЭФО применяется перекачка суспензии со дна ячейки для осаждения в ее верхнюю часть с ультразвуковой обработкой суспензии перед подачей в ячейку.
Электрофоретическое осаждение осуществляется при постоянной напряженности электрического поля до 50 В/см.
2. В способе изготовления высокоплотных объемных керамических элементов с использованием электрофоретического осаждения наночастиц используются слабоагрегированные наночастицы оксидов, полученные методами высокоэнергетического физического диспергирования, например, методом лазерного испарения материала или методом электрического взрыва проводника. Проводится подготовка самостабилизированной суспензии наночастиц, диспергированных в смеси спирта с ацетилацетоном.
Концентрацию ацетилацетона в спирте выбирают, исходя из расчета массы ацетилацетона приходящегося на общую (суммарную) площадь поверхности наночастиц в суспензии по формуле mHacac=
Figure 00000001
, где
Figure 00000002
 - масса ацетилацетона, приходящаяся на единицу поверхности нанопорошка, мг/м2,
величина
Figure 00000002
выбирается так, чтобы она составляла от 0,1 мг/м2 до 10 мг/м2;
Sуд – удельная поверхность нанопорошка, м2/г;
mnp – масса нанопорошка, г;
mHacac – масса ацетилацетона, мг
При этом концентрация наночастиц в суспензии выбирается в диапазоне от 0,1 до 10 весовых %.
Во время ЭФО применяется перекачка суспензии со дна ячейки для осаждения в ее верхнюю часть с ультразвуковой обработкой суспензии перед подачей в ячейку.
При ЭФО применяется импульсное напряжение в виде пилообразных однополярных импульсов со скоростью нарастания напряжения в импульсе (dU/dt), регулируемой от 1*104 В/с до 1*107 В/с при напряженности электрического поля до 100 В/см.
Заявляемый способ отличается от известных признаками, указанными в отличительной части формулы.
Новый технический результат изобретения обусловлен тем, что:
- в качестве дисперсионной среды используется смесь спирта с ацетилацетоном малой концентрации, определяемой из расчета массы ацетилацетона приходящегося на общую (суммарную) площадь поверхности наночастиц. Ацетилацетон выступает в качестве дисперсанта (электростатическая стабилизация) в спиртовой суспензии нанопорошка и обеспечивает требуемую электропроводность суспензии. При диссоциации енольной формы ацетилацетона образуются ионы водорода (протоны), которые адсорбируются на поверхности частиц, в результате чего частицы приобретают положительный заряд и стабилизируются в суспензии за счет электростатического взаимодействия. В процессе ЭФО наночастицы в суспензиях будут двигаться к отрицательно заряженному электроду (катоду).
Figure 00000003
Концентрацию ацетилацетона (в спирте) выбирают, исходя из расчета массы ацетилацетона (приходящегося) на общую (суммарную) площадь поверхности наночастиц в суспензии (по формуле mHacac=
Figure 00000001
) так, чтобы масса ацетилацетона, приходящаяся на единицу поверхности нанопорошка, составляла от 0,1 мг/м2 до 10 мг/м2 (в большинстве случаев 1 мг/м2).
Добавка ацетилацетона в указанном количестве позволяет увеличить проводимость суспензии, плотность тока и интенсивность осаждения без отрицательного эффекта частичного растворения нанопорошка. Данный метод выбора массы ацетилацетона в спирте позволяет обеспечить требуемый дисперсный состав агрегатов в суспензии.
- Перекачка суспензии со дна ячейки для осаждения в ее верхнюю часть, с ультразвуковой обработкой суспензии перед подачей в ячейку, обеспечивает непрерывное перемешивание суспензии и снижает агрегацию наночастиц, что позволяет получать компакты большой толщины и однородной плотности.
- Снижение напряженности электрического поля ниже значения 50 В/см позволяет исключить образование волнистости поверхности компакта за счет снижения интенсивности процессов массопереноса в суспензии, при этом необходимая плотность тока обеспечивается введением добавки ацетилацетона в спирт. Кроме того, снижение постоянной напряженности электрического поля ниже значения 50 В/см при проведении ЭФО существенно снижает (исключает) процессы электролиза, что в свою очередь исключает появление пузырьков газа на электродах и приводит к формированию беспористого компакта.
- Применение импульсного режима при варьировании скорости нарастания напряженность электрического поля в импульсе (dU/dt) влияет на процесс движения наночастиц и их агломератов к поверхности электрода и их электрохимическую коагуляцию вблизи электрода. Повышение dU/dt в диапазоне от 1*104 В/с до 1*107 В/с приводит к агломерации наночастиц и образованию агломератов большего размера, при этом осаждение материала на электрод происходит как в виде агломератов, так и в виде отдельных наночастиц, в результате чего можно управлять степенью агломерации наночастиц, структурой и плотностью полученного осадка, а также производительностью процесса ЭФО. Кроме того, при проведении ЭФО в импульсном режиме с напряженностью электрического поля до 100 В/см процессы электролиза не приводят к появлению пузырьков газа на электродах, что обеспечивает формирование беспористого компакта.
Предложенный способ по сравнению с прототипом при изготовлении высокоплотных объемных керамических элементов с использованием электрофоретического осаждения наночастиц, обеспечивает повышение толщины и однородности поверхности компактов, отсутствие пор в компакте, устранение волнистости при обеспечении требуемой дефектности спеченной керамики, уменьшение себестоимости изготовления.
Работоспособность предлагаемого способа проверена на примере. В результате проведенных экспериментов были изготовлены керамические компакты с относительной плотностью выше 99.99% и размером зерна около 20 мкм. В керамике Yb0.1La0.2Y1.7O3 толщиной 1 мм светопропускание составило 80,6 % на длине волны 1150 нм, что подтвердило работоспособность предлагаемого способа при получении активного элемента дискового твердотельного лазера.
Пример:
Слабоагрегированный нанопорошок Yb3+:(LaxY1-х)2O3 был синтезирован методом лазерного испарения материала с помощью волоконного иттербиевого лазера. Нанопорошок состоял из слабо агломерированных сферических частиц. Среднечисловой диаметр наночастиц Yb3+:(LaxY1-х)2O3 составлял 17 нм. Распределение частиц по размерам, полученное методом графического анализа микрофотографий, имеет логнормальный вид и описывается функцией следующего вида:
Figure 00000004
(1),
где μ– среднее значение логарифма диаметра (lndср), σ– дисперсия нормального распределения логарифма диаметра. Удельная поверхность нанопорошка составляла 60 м2/г. Для получения суспензии нанопорошка Yb3+:(LaxY1-х)2O3 был использован изопропанол (ос.ч., «Компонент-Реактив», Москва). Суспензию концентрацией 5 мас.% готовили по точной навеске нанопорошка и обрабатывали ультразвуком с помощью ультразвуковой ванны УЗВ-13/150-ТН в течение 125 мин. Приготовление деагрегированной суспензии из исходной проводили методом центрифугирования (центрифуга HERMLE Z 383) со скоростью центрифугирования 10000 об/мин и центробежным ускорением 8500 g в течение 3 мин. Концентрацию деагрегированной суспензии (4 масс.%) определяли по сухому остатку. Полученную деагрегированную суспензию использовали для формирования компактов методом ЭФО. Электрофоретическое осаждение выполняли на установке, обеспечивающей режимы постоянного или импульсного напряжения на электродах в виде пилообразных однополярных импульсов со скоростью нарастания напряжения в импульсе (dU/dt), регулируемой от 1*104 В/с до 1*107 В/с при напряженности электрического поля до 100 В/см. Электроды анод и катод были изготовлены из нержавеющей стали. Площадь катода составляла 2 см2, расстояние между электродами - 2 см. В первом цикле экспериментов процесс осаждения проводили при постоянных напряженностях электрического поля до 50 В/см. Во втором цикле экспериментов процесс осаждения проводили при импульсном напряжении в виде пилообразных однополярных импульсов, длительность импульсов составляла 2 мс, максимальная амплитуда импульсов регулировалась до 200 В, скорость нарастания напряжения в импульсе регулировалась от 1*104 В/с до 1*107 В/с. В процессе ЭФО суспензия перекачивалась из нижней части кюветы в верхнюю перистальтическим насосом со скоростью до 20 мл/мин. Перекачиваемая суспензия подвергалась ультразвуковой обработке в ванне УЗВ-13/150-ТН. Длительность процессов осаждения составляла до 180 мин, скорость осаждения достигала 6,5 мг/мин, эффективность осаждения - 0,8 г/Кл. Были получены компакты толщиной до 3,5 мм. Осуществлен длительный процесс сушки до нескольких дней при комнатной температуре в эксикаторе, чтобы избежать появления трещин. Высушенные компакты отжигались при температуре 900°С в течение 3 ч на воздухе и спекались при температуре 1650°С в течение 13 ч в вакууме.
Заявленный способ, при его осуществлении, предназначен для его применения в промышленности, а именно может применяться для осуществления технологического процесса изготовления твердотельного активного элемента лазера, изоляторов фарадея, защитной оптики.
Для заявленного способа подтверждена возможность его осуществления, в частности возможна реализация на основании приведенного выше примера.
Заявленный способ способен улучшить параметры высокоплотной оксидной оптической керамики, что расширит область применения твердотельных лазеров. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию "промышленная применимость".

Claims (2)

1. Способ изготовления высокоплотных объемных керамических элементов, включающий получение слабоагрегированных наночастиц оксидов методами высокоэнергетического физического диспергирования, получение суспензий наночастиц в смеси спирта с ацетилацетоном, их ультразвуковую обработку, электрофоретическое осаждение (ЭФО) и спекание осадка, отличающийся тем, что концентрацию ацетилацетона в спирте выбирают, исходя из расчета массы ацетилацетона, приходящегося на общую площадь поверхности наночастиц в суспензии, по формуле mHacac=
Figure 00000005
, где
Figure 00000006
 - масса ацетилацетона, приходящаяся на единицу поверхности нанопорошка, мг/м2, величина
Figure 00000006
 выбирается так, чтобы она составляла от 0,1 мг/м2 до 10 мг/м2; Sуд – удельная поверхность нанопорошка, м2/г; mnp – масса нанопорошка, г; mHacac – масса ацетилацетона, мг; при этом концентрация наночастиц в суспензии выбирается в диапазоне от 0,1 до 10 вес. %; во время ЭФО применяется перекачка суспензии со дна ячейки для осаждения в ее верхнюю часть с ультразвуковой обработкой суспензии перед подачей в ячейку; ЭФО осуществляется при постоянной напряженности электрического поля до 50 В/см.
2. Способ изготовления высокоплотных объемных керамических элементов, включающий получение слабоагрегированных наночастиц оксидов методами высокоэнергетического физического диспергирования, получение суспензий наночастиц в смеси спирта с ацетилацетоном, их ультразвуковую обработку, ЭФО и спекание осадка, отличающийся тем, что концентрацию ацетилацетона в спирте выбирают, исходя из расчета массы ацетилацетона, приходящегося на общую площадь поверхности наночастиц в суспензии, по формуле mHacac=
Figure 00000005
, где
Figure 00000006
 - масса ацетилацетона, приходящаяся на единицу поверхности нанопорошка, мг/м2, величина
Figure 00000006
 выбирается так, чтобы она составляла от 0,1 мг/м2 до 10 мг/м2; Sуд – удельная поверхность нанопорошка, м2/г; mnp – масса нанопорошка, г; mHacac – масса ацетилацетона, мг; при этом концентрация наночастиц в суспензии выбирается в диапазоне от 0,1 до 10 вес. %; во время ЭФО применяется перекачка суспензии со дна ячейки для осаждения в ее верхнюю часть с ультразвуковой обработкой суспензии перед подачей в ячейку; для ЭФО применяется импульсное напряжение в виде пилообразных однополярных импульсов со скоростью нарастания напряжения в импульсе, регулируемой от 1*104 В/с до 1*107 В/с, и напряженностью электрического поля до 100 В/см.
RU2018120778A 2018-06-06 2018-06-06 Способ изготовления высокоплотных объемных керамических элементов с использованием электрофоретического осаждения наночастиц (варианты) RU2691181C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018120778A RU2691181C1 (ru) 2018-06-06 2018-06-06 Способ изготовления высокоплотных объемных керамических элементов с использованием электрофоретического осаждения наночастиц (варианты)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018120778A RU2691181C1 (ru) 2018-06-06 2018-06-06 Способ изготовления высокоплотных объемных керамических элементов с использованием электрофоретического осаждения наночастиц (варианты)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2691181C1 true RU2691181C1 (ru) 2019-06-11

Family

ID=66947433

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018120778A RU2691181C1 (ru) 2018-06-06 2018-06-06 Способ изготовления высокоплотных объемных керамических элементов с использованием электрофоретического осаждения наночастиц (варианты)

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2691181C1 (ru)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2139839C1 (ru) * 1993-10-27 1999-10-20 Х.К.Штарк ГмбХ Унд Ко. КГ Способ получения спеченных изделий из поверхностно-модифицированного порошка и полученное по нему спеченное металлическое и/или керамическое изделие
US20090114275A1 (en) * 2005-08-04 2009-05-07 Barilan University Method for production of nanoporous electrodes for photoelectrochemical applications
US20100247910A1 (en) * 2006-05-30 2010-09-30 Commissariat L'energie Atomique Phase Powders and Process for Manufacturing Said Powders
US20140339085A1 (en) * 2011-11-02 2014-11-20 I-Ten Method for producing dense thin films by electrophoresis
RU2638205C1 (ru) * 2016-06-14 2017-12-12 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт электрофизики Уральского отделения Российской академии наук (ИЭФ УрО РАН) Способ изготовления высокоплотной, в том числе оптической керамики с использованием электрофоретического осаждения наночастиц

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2139839C1 (ru) * 1993-10-27 1999-10-20 Х.К.Штарк ГмбХ Унд Ко. КГ Способ получения спеченных изделий из поверхностно-модифицированного порошка и полученное по нему спеченное металлическое и/или керамическое изделие
US20090114275A1 (en) * 2005-08-04 2009-05-07 Barilan University Method for production of nanoporous electrodes for photoelectrochemical applications
US20100247910A1 (en) * 2006-05-30 2010-09-30 Commissariat L'energie Atomique Phase Powders and Process for Manufacturing Said Powders
US20140339085A1 (en) * 2011-11-02 2014-11-20 I-Ten Method for producing dense thin films by electrophoresis
RU2638205C1 (ru) * 2016-06-14 2017-12-12 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт электрофизики Уральского отделения Российской академии наук (ИЭФ УрО РАН) Способ изготовления высокоплотной, в том числе оптической керамики с использованием электрофоретического осаждения наночастиц

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zhitomirsky et al. Electrophoretic deposition of hydroxyapatite
JP6878302B2 (ja) 固体電解質製造用のセッタープレート及びこれを用いて高密度固体電解質を製造するための方法
Suzuki et al. Effect of ultrasonication on the microstructure and tensile elongation of zirconia‐dispersed alumina ceramics prepared by colloidal processing
Nagai et al. Electrophoretic deposition of ferroelectric barium titanate thick films and their dielectric properties
Kalinina et al. Electrophoretic deposition of a self-stabilizing suspension based on a nanosized multi-component electrolyte powder prepared by the laser evaporation method
Kalinina et al. The influence of nanoparticle aggregation on formation of ZrO2 electrolyte thin films by electrophoretic deposition
Hasanpoor et al. In-situ study of mass and current density for electrophoretic deposition of zinc oxide nanoparticles
Sun et al. Fabrication of ultrahigh density ZnO-Al2O3 ceramic composites by slip casting
CN1313842A (zh) 钛酸钡分散液
RU2638205C1 (ru) Способ изготовления высокоплотной, в том числе оптической керамики с использованием электрофоретического осаждения наночастиц
RU2691181C1 (ru) Способ изготовления высокоплотных объемных керамических элементов с использованием электрофоретического осаждения наночастиц (варианты)
Galassi et al. PZT-based suspensions for tape casting
CN110302429B (zh) 一种Ag-DBT/PVDF复合骨支架及其制备方法
Doungdaw et al. Electrophoretic deposition of lead zirconate titanate (PZT) powder from ethanol suspension prepared with phosphate ester
US6905649B2 (en) High-density barium titanate of high permittivity
Morikawa et al. Effect of direct and alternating current (DC and AC) fields on creep behavior of 8 mol% Y2O3 stabilized cubic ZrO2 polycrystal
Ferrari et al. Determination and control of metallic impurities in alumina deposits obtained by aqueous electrophoretic deposition
Jean Electrophoretic deposition of Al2O3-SiC composite
Bredol et al. Electrophoretic deposition of alumina, yttria, yttrium aluminium garnet and lutetium aluminium garnet
Kalinina et al. Electrophoretic deposition of coatings and bulk compacts using magnesium-doped aluminum oxide nanopowders
Kalinina et al. Formation of Bilayer Thin-Film Electrolyte on Cathode Substrate by Electrophoretic deposition
Santos et al. Influence of synthesis conditions on the properties of electrochemically synthesized BaTiO3 nanoparticles
Suarez et al. Effect of bead-milling treatment on the dispersion of tetragonal zirconia nanopowder and improvements of two-step sintering
Sultana et al. Yttria stabilized tetragonal zirconia ceramics: preparation, characterization and applicationspplications
Silva et al. Effect of pH-induced nanopowder deagglomeration on sintering, microstructure and dielectric properties of Ba0. 77Ca0. 23TiO3 ceramics