При здійсненні ГП важливу роль відіграє процес прикладання і зняття навантаження. Спочатку порошок нагрівають до деякої температури (переважно на рівні половини температури ізотермічної витримки), потім прикладають навантаження і продовжують нагрівання якомога швидше. У такому випадку забезпечується більш повне видалення газів, адсорбованих порошком, що сприяє його ущільненню. Знімають прикладене навантаження після достатньо повного охолодження спресованого виробу з метою зменшення втрат щільності через прояви пружної післядії.

Перевагами гарячого пресування є:

- можливість додаткового до ущільнення і, відповідно, одержання матеріалу з меншою кількістю пор за рахунок одночасної дії температури і прикладеного тиску;

- можливість отримання наплавленої структури матеріалу в якій зерна матеріалу розміщені перпендикулярно до напрямку прикладання навантаження.

Серед недоліків гарячого пресування:

- можливість одержання тільки виробів простих геометричних форм;

- невисока стійкість графітових прес-форм (на рівні 30-50 МПа), яка обмежує величину тисків, що прикладаються при пресуванні;

- складність апаратного оформлення гарячого пресування у середовищі захисних газів або у вакуумі.

За рівнем механічних властивостей гарячепресовані вироби посідають проміжне місце між вільно спеченими і отриманими при застосуванні високих тисків газового середовища.

Фазовий склад кераміки до та після спікання визначали на рентґенівському дифрактометрі ДРОÍ-3 (випромінення CuKα).

Температура в процесі реакційного гарячого пресування фіксувалася за допомогою пірометра.

Регресійний аналіз [17] рівнянь кінетики [18–21] показав, що

процес ущільнення досить точно описується рівнянням Аврамі–

Єрофеєва для кінетики топохемічних реакцій, якщо розглядати

усадку як реакцію зникнення пустоти:

де F — ступінь перетворення, — початкова,

поточна та кінцева висоти зразка відповідно, t — тривалість процесу ущільнення, k — константа швидкості усадки, n — константа

тривалості усадки.

Одразу кілька механізмів ведуть до скорочення поруватості

впродовж спікання. Серед них міжзеренна дифузія, міжзеренне

проковзування, пластичні та в’язкі течії та ін.

Êінетичні параметри, що визначаються з логарифмічної форми

рівняння (2), уможливлюють встановити переважний механізм масоперенесення на кожній стадії усадки

3. Електроімпульсне плазмове спікання нанопорошків: схема методу та фізика процесів.

Технология искрового плазменного спекания (ИПС) – современная

перспективная технология консолидации порошковых материалов. Метод основан на пропускании через спекаемый материал мощных

прямоугольных импульсов постоянного тока, что, помимо резистивного

нагрева, приводит к активации поверхности порошка вследствие

образования в зазорах искровой плазмы.

В основе физического описания ИПС лежит классическая теория спекания, однако целый ряд аспектов, связанных с тем, что при высокоскоростном нагреве процесс спекания осуществляется в существенно неравновесных и нестационарных условиях, не удается описать на основе классической теории спекания [2]. К основным преимуществам технологии ИПС относятся: – равномерное распределение тепла по образцу; – высокая плотность и контролируемая пористость; – предварительная обработка давлением и связующие не требуются; – равномерное спекание однородных и разнородных материалов; – короткое время рабочего цикла; – минимальный рост зерна и влияние на микроструктуру.

Возможность проводить консолидацию материала за короткое время при относительно низких температурах является решающим преимуществом технологии при работе с термически нестабильными нитридами железа, гарантирующими сохранение азота в материале и жесткий контроль над ростом зерна

Особенности этого метода консолидации порошковых материалов состоят в том, что нагрев вещества происходит путем пропускания импульсов электрического тока; это позволяет существенно снизить температуру и сократить время спекания по сравнению с обычным спеканием и горячим прессованием.

4. Температурна залежність міцності керамічних матеріалів та металів: особливості, основні відмінності та їх причини.

Метали

На рис. 3.6 представлені графіки зміни міцності найбільш поширених в будівництві сталей при дії на них високих температур. На графіках для зручності порівняння різних видів сталі представлені залежності не абсолютних, а відносних значень меж міцності сталей. Відношення межі міцності або межі текучості матеріалів при даній температурі до межі міцності або межі текучості в нормальних умовах прийнято називати температурним коефіцієнтом зміни міцності і позначати γ_t.

У зв'язку з тим що температура конструкції при пожежі змінюється в часі, змінюється також і значення коефіцієнта γ_t. Значення температурного коефіцієнта зміни міцності, при якій межа міцності матеріалу в нагрітому стані знижується до величини робочої напруги в конструкції, називається критичним, оскільки в цьому випадку станеться обрушення конструкції. Температура, яка відповідає втраті міцності і несучої здатності сталі називається критичною температурою.

Рис. 3.6. Зміна міцності арматурних сталей при нагріванні: 1 – високоміцний холоднотягнутий дріт; 2 – звичайний холоднотягнутий низьковуглецевий дріт; 3 – гарячекатана сталь Ст3, Ст5; 4 – низьколегована сталь 25Г2С; 5 – низьколегована сталь 30ХГ2С

З рис. 3.6 видно, що механічні властивості розглянутих сталей при нагріванні до 200–250⁰С практично не змінюються. Краще за всіх в умовах пожежі при γ_t = 0,625, що відповідає коефіцієнту запасу міцності 1,6, поводитиметься низьколегована сталь марки 25Г2С, з якої виготовляють гарячекатану арматуру класу А-Ш. Її критична температура становить 570 °С.

Розглянемо як ведуть себе вказані сталі і після охолодження (рис. 3.7).

Рис. 3.7. Зміна міцності арматурних сталей при нагріванні та наступному охолодженні: 1 – високоміцний холоднотягнутий дріт; 2 – звичайний холоднотягнутий низьковуглецевий дріт; 3 – гарячекатана сталь Ст3, Ст5; 4 – низьколегована сталь 25Г2С

Якщо холоднотягнуті сталі зберігають свою міцність при нагріванні в інтервалі температур 300–350⁰С то низьколегована сталь 25Г2С при температурі до 600⁰С не тільки не втрачає міцності, але й при нагріванні до 500⁰С значно зміцнюється.

Для підвищення вогнестійкості з/б конструкцій в якості арматурної сталі потрібно використовувати низьколеговані сталі 25Г2С, 30ХГ2С, 35Г2С.

Рис. 3.8. Діаграми деформування звичайної холоднотягнутої арматурної сталі для різних температур нагріву.

Важливою є інформація про залежність внутрішніх напружень від деформацій, що їх викликають за підвищених температур. Дослідження поведінки арматурної сталі в залежності від температури, показують, що крім міцності так само змінюється і характер діаграм деформування., я к показано на рис. 3.8.

На рис. 3.8 величина R_s визначає рівень напружень що визначає міцність сталі для даної арматурної сталі. Межа міцності визначається настанням пластичних деформацій в сталі, тобто дорівнює межі текучості даної арматурної сталі R_s = _т. Діаграму на рис. 3.8 зручно використовувати для визначення коефіцієнтів зниження міцності для різних арматурних сталей.

Кераміка

Мал. 2.6. Залежність міцності щільної кераміки з стабілізованого діоксиду цирконію від температури при стисненні (1) і вигині (2)

Бадделеїтові вироби зберігають високі властивості міцності лише до температур близько 700 ° С, після чого міцність знижується і стає звичайною для цієї кераміки.

Температура плавлення…

5. Залежність характеристик матеріалів від розміру зерен. Правило Холла-Петча. Особливості правила Холла-Петча для наноматеріалів.

Соотношение Холла-Петча иначе закон Холла-Петча (англ. Hall–Petch relationship или англ. Hall–Petch strengthening, англ. grain-boundary strengthening) — соотношение между пределом текучести и размером зерна d для поликристаллического материала:

σ_Τ = σ₀ + Kd^−1/2, где σ₀ — некоторое напряжение трения, которое необходимо для скольжения дислокаций в монокристалле, а K — индивидуальная для каждого материала константа, также называемая «коэффициентом Холла-Петча».

Описание

Соотношение (закон) Холла-Петча даёт количественное описание роста предела текучести поликристаллического материала с уменьшением размера зерна. В основе этой зависимости лежат дислокационные механизмы пластической деформации: границы зёрен тормозят движение дислокаций. Кроме поликристаллических материалов, данное соотношение применимо также для некоторых слоистых материалов. Важно отметить, что для наноматериалов с размером зерна порядка нескольких десятков нанометров этот закон в той или иной мере нарушается, и проявляется так называемый обратный эффект Холла-Петча (англ. inverse Hall–Petch effect), механизмы которого в настоящее время недостаточно изучены.

Одной из интересных проблем, напрямую связанной с практическим приме­нением наноструктурированных материалов, является исследование зависимости механических свойств материалов от размера зерна. Так, у поликристаллических материалов в большом диапазоне размеров зерен наблюдается увеличение твер­дости с уменьшением размера кристаллитов. Подобное поведение материалов хорошо описывается соотношением Холла-Петча:

где Н_v - твердость материала, σ_т - предел текучести, Н₀ - твердость тела зерна, σ -внутреннее напряжение, препятствующее распространению пластического сдвига в теле зерна,

k - коэффициент пропорциональности, D - размер зерна. Типичная зависимость твердости от размера зерна для нанокристаллической меди представлено на рис. 1. Рис. 1.

При уменьшении размера зерна происходит рост прочности материала. Соотношение Холла-Петча хорошо описывает механические свойства материалов с размером зерен более 50 нм, в которых деформации происходят преимущественно по дислокационному механизму. Однако при дальнейшем уменьшении размера зерен значительный вклад в деформацию материала вносят процессы, происходящие на межзеренных границах. При размерах зерен от 30 до 50 нм соотношение (3.85) для большинства материалов перестает описывать реальную зависимость твердости. Кроме того, может происходить снижение напряжения пластического течения с уменьшением размера зерна - этот эффект получил название обратного эффекта Холла-Петча (inverse Hall-Petch effect). Появление подобного эффекта связано с деформированием материала за счет зернограничной диффузии. Скорость последней обратно пропорциональна объему частиц:

где В - некая постоянная, σ - приложенное напряжение, Ω - атомный объем, δ - эффективная толщина границы зерен, D_b - зернограничный коэфициент диффузии и D- размер зерна.

Переход от "нормальной" к "обратной" зависимости Холла-Петча происходит при критическом размере зерна D_c (обычно 20-30 нм), что связано с изменением доминирующего механизма деформации с дислокационного на деформационные зернограничные процессы. В точке пере­сечения этих двух зависимостей материал имеет максимальную устойчивость к деформациям.

6. Різні структурні форми нанокремнію. Перспективні напрямки використання нанокремнію в приладах різного призначення.

Нанокристалічний кремній являє собою аморфну плівку, в яку впроваджено нанокристаліти, розміром 1-100 нм. Наявність цих нанозерен підвищує величину забороненої зони матеріалу, а також покращує його електричні і оптичні характеристики. Розрізняють два типи нанокремнію: високоомний (nc-SiOx) та низькоомний (nc-Si). Однією з переваг нанокремнію є його стабільність до дії інтенсивної засвітки, тобто усувається один з найважливіших недоліків аморфного кремнію – ефект Стеблера-Вронського. Тому, на сьогоднішній день нанокремній використовується для синтезу різних напівпровідникових плівкових структур (фотоприймачів, сонячних елементів – низькоомний, фотоварікапів – високоомний) замість аморфного

нанокремній, що володіє наступними перевагами: висока поширеність у природі, відносно низька вартість виготовлення, відсутність радіоактивних і токсичних елементів у технологічному процесі а також сумісність з інтегральною технологією виготовлення мікросхем.

-----------------------------------------------

Структура кристаллического кремния обусловлена sp3-гибридизацией внешней электронной оболочки при образовании связи (Si−Si) 2). В результате в кристаллическом состоянии вокруг каждого атома кремния образуется тетраэдр из четырех соседних атомов с углом между связями центрального атома 109,47◦. Атомную структуру кристалла кремния (c-Si) можно изобразить элементарной ячейкой в виде куба, заполненного связанными между собой четырьмя центрированными тетраэдрами, как показано на рис. 2.1 а, б (цветная вклейка). Эта схема хорошо отражает координационное окружение и химические связи в кристалле, но не делает очевидной отнесение данной структуры к гранецентрированной ячейке Бравэ. На самом деле такая структура, называемая структурой алмаза, действительно является гранецентрированной кубической (ГЦК) и в международных кристаллографических обозначениях относится к пространственной группе F d3m (№ 227) — см. Int. Tables for Crystallography. 2006. V. A1. Примитивный базис элементарной ГЦК ячейки кремния состоит из двух идентичных атомов, занимающих позиции (0, 0, 0) и (1/4, 1/4, 1/4)a, где a — период элементарной ячейки 3). Это означает, что каждому узлу кристаллической решетки в элементарной ячейке F соответствуют два атома Si с таким расположением относительно друг друга. То есть, структуру элементарной ячейки кремния можно получить, поместив указанный выше примитивный двухатомный базис в каждый узел ГЦК ячейки, совмещая при этом начальный (0,0,0) атом базиса с узлом, что подтверждает справедливость отнесения структуры кремния к ГЦК ячейке Бравэ. Структуру кремния можно описать и другими словами, как ГЦК ячейку, в которой из восьми имеющихся тетраэдрических пустот, центры которых расположены на расстоянии 1/4 длины диагонали куба от вершинных атомов, четыре заняты внедренными атомами самого Si, а остальные 4 незаняты. На рис. 2.1 в эти «внедренные» атомы изображены зелеными шарами, а синими шарами изображены атомы Si, образующие классическую ячейку ГЦК. Из-за «внедрения» в пустоты ГЦК ячейки четырех дополнительных атомов, алмазоподобная элементарная ячейка кремния имеет 8 атомов Si, в отличие от классической ГЦК ячейки с одноатомным базисом, на которую приходится лишь 4 атома.