Получение прозрачной наноструктурированной керамики Y₃Al₅O₁₂
Методом низкотемпературной консолидации порошка Y₃Al₅O₁₂ в диапазоне температур 250—550 °С при давлениях 6—7,7 ГПа получена нанокристаллическая керамика Y₃Al₅O₁₂ c различным фазовым составом, микроструктурой и оптическими характеристиками. Определены условия получения прозрачной наноструктурированно...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Сверхтвердые материалы |
|---|---|
| Дата: | 2009 |
| Автори: | , , , , , , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
2009
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/63404 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Получение прозрачной наноструктурированной керамики Y₃Al₅O₁₂ / Е.А. Вовк, Т.Г. Дейнека, А.Г. Дорошенко, В.Ф. Ткаченко, А.В. Толмачев, Р.П. Явецкий, И.А. Петруша, В.Н. Ткач, В.З. Туркевич, Н.И. Даниленко // Сверхтвердые материалы. — 2009. — № 4. — С. 55-64. — Бібліогр.: 21 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860268786430509056 |
|---|---|
| author | Вовк, Е.А. Дейнека, Т.Г. Дорошенко, А.Г. Ткаченко, В.Ф. Толмачев, А.В. Явецкий, Р.П. Петруша, И.А. Ткач, В.Н. Туркевич, В.З. Даниленко, Н.И. |
| author_facet | Вовк, Е.А. Дейнека, Т.Г. Дорошенко, А.Г. Ткаченко, В.Ф. Толмачев, А.В. Явецкий, Р.П. Петруша, И.А. Ткач, В.Н. Туркевич, В.З. Даниленко, Н.И. |
| citation_txt | Получение прозрачной наноструктурированной керамики Y₃Al₅O₁₂ / Е.А. Вовк, Т.Г. Дейнека, А.Г. Дорошенко, В.Ф. Ткаченко, А.В. Толмачев, Р.П. Явецкий, И.А. Петруша, В.Н. Ткач, В.З. Туркевич, Н.И. Даниленко // Сверхтвердые материалы. — 2009. — № 4. — С. 55-64. — Бібліогр.: 21 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Сверхтвердые материалы |
| description | Методом низкотемпературной консолидации порошка Y₃Al₅O₁₂ в диапазоне температур 250—550 °С при давлениях 6—7,7 ГПа получена нанокристаллическая керамика Y₃Al₅O₁₂ c различным фазовым составом, микроструктурой и оптическими характеристиками. Определены условия получения прозрачной наноструктурированной керамики Y₃Al₅O₁₂ c размерами зерен 20—40 нм, коэффициент пропускания которой в видимой области спектра составляет 40—45 %. Сформулированы критерии прозрачности наноструктурированной керамики, обсуждаются пути повышения ее оптических характеристик.
|
| first_indexed | 2025-12-07T19:03:43Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2009, № 4 55
УДК 621.762.5-022.532
Е. А. Вовк, Т. Г. Дейнека, А. Г. Дорошенко,
В. Ф. Ткаченко, А. В. Толмачев,
Р. П. Явецкий (г. Харьков)
И. А. Петруша, В. Н. Ткач, В. З. Туркевич,
Н. И. Даниленко (г. Киев)
Получение прозрачной
наноструктурированной керамики Y3Al5O12
Методом низкотемпературной консолидации порошка Y3Al5O12
в диапазоне температур 250—550 °С при давлениях 6—7,7 ГПа получена нано-
кристаллическая керамика Y3Al5O12 c различным фазовым составом, микро-
структурой и оптическими характеристиками. Определены условия получения
прозрачной наноструктурированной керамики Y3Al5O12 c размерами зерен 20—
40 нм, коэффициент пропускания которой в видимой области спектра состав-
ляет 40—45 %. Сформулированы критерии прозрачности наноструктурирован-
ной керамики, обсуждаются пути повышения ее оптических характеристик.
Ключевые слова: иттрий-алюминиевый гранат, высокое давле-
ние, консолидация при низкой температуре, наноструктурированная керамика,
оптическое пропускание.
Введение. Создание генерационных сред на основе прозрач-
ных поликристаллических материалов является одним из важнейших дости-
жений современного люминесцентного материаловедения. Светопропускаю-
щая керамика известна с середины прошлого века и находит применение в
основном в качестве конструкционных материалов и элементов пассивной
оптики — оболочки натриевых ламп высокого давления, оптические окна,
линзы и т. д. [1].
Сравнительно недавно многолетние усилия двух японских научных групп
привели к разработке технологии изготовления прозрачных керамик на осно-
ве Y3Al5O12 [2—4] и оксидов редкоземельных элементов RE2O3 (RE = Y, Sc,
Gd, Lu) [5], активированных ионами Ln3+. Оптические характеристики полу-
ченной керамики позволяют использовать ее в качестве элементов лазерной
техники. Было показано, что оптические керамики превосходят соответст-
вующие монокристаллы по своим физическим свойствам, функциональным и
эксплуатационным характеристикам, а технология их изготовления более
экономична по сравнению с процессом выращивания монокристаллов тради-
ционными ростовыми методами. Так, лазерная керамика Y3Al5O12:Nd3+ мо-
жет составить определенную конкуренцию наиболее широко используемым в
квантовой электронике и лазерной инженерии кристаллам Y3Al5O12:Nd3+, а
керамика Y3Al5O12:Се3+ может найти применение для детектирования гамма-
излучения и электронов сцинтилляционным методом.
Исходя из требования максимальной прозрачности керамики следует, что
ее необходимо изготавливать из оптически изотропного материала, принад-
лежащего к кубической сингонии, при этом она не должна содержать пор от
© Е. А. ВОВК, Т. Г. ДЕЙНЕКА, А. Г. ДОРОШЕНКО, В. Ф. ТКАЧЕНКО, А. В. ТОЛМАЧЕВ, Р. П. ЯВЕЦКИЙ,
И. А. ПЕТРУША, В. Н. ТКАЧ, В. З. ТУРКЕВИЧ, Н. И. ДАНИЛЕНКО, 2009
www.ism.kiev.ua; www.rql.kiev.ua/almaz_j 56
микро- до наноразмеров. Кроме того, размер зерен керамики должен лежать
вне пределов рабочего диапазона длин волн — например, лазеры
Y3Al5O12:Nd3+ излучают на длине волны 1064 нм. Традиционный подход к
созданию оптической керамики основан на использовании методов горячего
изостатического прессования или вакуумного спекания нанопорошков. Спе-
кание осуществляют в области довольно высоких (∼ 0,7 Тпл) температур, при
которых процессы собирательной рекристаллизации становятся активными,
вследствие чего размер зерен керамики может достигать десятков микромет-
ров. Альтернативный способ создания оптических керамик состоит в получе-
нии поликристаллического материала с размером зерен намного меньше дли-
ны волны видимого света, т. е. наноструктурированной керамики. Очевидно,
высокий уровень светопропускания керамики может быть достигнут при
соблюдении указанных выше требований к особенностям ее структуры.
Существует несколько методов пригодных для получения материалов с
наноразмерным зерном: скоростное горячее изостатическое прессование,
неизотермическое спекание, спекание ковкой и др. [6]. Недавно польские
специалисты получили наноструктурированную оптическую керамику
Y3Al5O12:Nd3+ с коэффициентом пропускания 50 % на длине волны 1064 нм
методом низкотемпературного спекания при высоком давлении [7, 8]. Спека-
ние при высоком давлении позволяет консолидировать нанопорошки за счет
возникающих сжимающих и сдвиговых деформаций, способствующих раз-
рушению агломератов, взаимному перемещению частиц и уменьшению по-
ристости компактов. Этот метод является перспективным для изготовления
высокоплотной керамики с одновременной возможностью управления ее
структурой на наноуровне.
Известно, что свойства керамики во многом определяются свойствами ис-
ходных порошков. В своих работах польские специалисты консолидировали
нанопорошки Y3Al5O12, полученные модифицированным золь-гель методом.
Возможность получения наноструктурированной оптической керамики из
нанопорошков, полученных методом осаждения, в современной литературе
не описана. В то же время, подобные порошки с успехом используют для
приготовления оптической керамики с микронным размером зерна [9]. Целью
данной работы было получение оптической наноструктурированной керами-
ки Y3Al5O12 путем консолидации химически осажденных нанопорошков ме-
тодом низкотемпературного спекания при высоком давлении.
Исходные материалы и проведение экспериментов. Наноразмерный
порошок прекурсора Y3Al5O12 получали методом обратного осаждения из
0,5 М растворов нитратов иттрия Y(NO3)3·6H2O (ос. ч) и алюминия
Al(NO3)3·6H2O (ос. ч) с использованием гидрокарбоната аммония NH4HCO3
(х. ч) в качестве осадителя. Методика синтеза порошков Y3Al5O12 подробно
описана в [10]. Средний размер частиц порошка Y3Al5O12 определяли мето-
дами просвечивающей электронной микроскопии, а также исходя из их
удельной поверхности Sуд, измеренной по низкотемпературной адсорбции
азота (метод БЭТ). Исходный нанопорошок Y3Al5O12, полученный термооб-
работкой прекурсора при 1100 °С в течение 2 ч, имел Sуд ≈ 35 м2/г при сред-
нем размере частиц dср ≈ 38,5 нм, установленном методом БЭТ.
Консолидацию нанопорошков выполняли в условиях баротермического
статического воздействия, осуществляемого в аппарате высокого давления
(АВД) тороидального типа. Перед помещением в ячейку высокого давления
исходный порошок Y3Al5O12 компактировали одноосным прессованием в
стальной пресс-форме при давлении 450 МПа, получая при этом образцы в
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2009, № 4 57
форме таблеток диаметром 6 мм и высотой 2,5 мм. Плотность таблетки со-
ставляла 47—50 % от теоретического значения для Y3Al5O12. Таблетку раз-
мещали в капсуле из химически инертного гексагонального нитрида бора,
используемого для обеспечения условий квазигидростатического сжатия
образца, а также с целью предотвращения его контакта с нагревателем из
графита (рис. 1). Процесс консолидации проводили при давлениях 6—
7,7 ГПа и температурах из интервала 250—550 °С. Продолжительность изо-
термической выдержки в экспериментах составляла 30—60 с.
1
2 3
7
6
4
5
10 мм
Рис. 1. Ячейка высокого давления в сжатом состоянии (половина осевого сечения): 1 —
твердосплавные вставки тороидального аппарата; 2 — внешнее деформируемое уплотне-
ние из спрессованного литографского камня; 3 — контейнер из блочного литографского
камня; 4 — капсула из графитоподобного нитрида бора; 5 — образец; 6 — графитовый
нагреватель; 7 — пирофиллитовые теплоизолирующие вставки.
Плотность консолидированных образцов оценивали, используя метод
гидростатического взвешивания. Рентгенофазовый анализ выполняли порош-
ковым методом на дифрактометре ДРОН-2.0 в излучении кобальтового ано-
да, λ = 0,17902 нм. Размеры областей когерентного рассеяния (ОКР) в исход-
ных порошках и полученной керамике определяли методом аппроксимации.
Микроструктуру керамики исследовали методом сканирующей электронной
микроскопии (СЭМ) на микроскопе “Zeiss EVO 50XVP” во вторичных элек-
тронах и методом аналитической просвечивающей электронной микроскопии
высокого разрешения (ПЭМВР) на микроскопе JEM-2100F (JEOL) с рентге-
новским микроанализатором INCA (“Oxford Instruments”). Образцы для
ПЭМВР готовили методом ионного утонения. Оптические измерения кера-
мики проводили на полированных с обеих сторон пластинах толщиной 1 мм.
Полный спектральный коэффициент пропускания образцов в области длин
волн 250—1100 нм определяли на спектрофотометре “Perkin Elmer Lambda-
35”, снабженном приставкой с интегральной сферой.
Результаты и их обсуждение. Как отмечалось выше, исходные нанопо-
рошки Y3Al5O12 характеризуются Sуд ∼ 35 м2/г и dср ∼ 38,5 нм, рассчитанным
по методу БЭТ. По данным электронной микроскопии d = 40—50 нм. Таким
образом, результаты исследований различными методами хорошо согласуют-
ся, что, в частности, может свидетельствовать о низкой степени агломерации
порошков.
При консолидащии нанопорошков в условиях баротермического воздей-
ствия получена керамика Y3Al5O12 c различным фазовым составом, микро-
www.ism.kiev.ua; www.rql.kiev.ua/almaz_j 58
структурой и оптическими характеристиками. Плотность керамики при по-
вышении температуры термобарического воздействия от 250 до 550 °С воз-
растает в диапазоне 92—99 % от теоретического значения плотности
Y3Al5O12. При воздействии давления ∼ 7,7 ГПа и температур 350—450 °С
образуется прозрачная керамика, плотность которой составляет 98—99 %
(рис. 2). При применении традиционного метода свободного спекания кера-
мику Y3Al5O12 с такой плотностью удается получить только при температу-
рах более 1700 °С [11]. В условиях высоких давлений значительное снижение
уровня температур, необходимых для получения высокоплотной керамики из
исходных нанодисперсных порошков, связано с активизацией процесса уп-
лотнения благодаря мощному сжимающему воздействию на образец. Отме-
тим, что величина приложенного давления сопоставима со значением капил-
лярных давлений в нанопорошках (0,5—5 ГПа) [5]. Барическое воздействие
создает существенный дополнительный вклад в движущую силу процесса
консолидации, контролируемого диффузией. При использовании более низ-
ких давлений прозрачность полученных образцов снижалась, и наблюдали
помутнение материала при рассеянии света в структуре, обусловленное, по
всей видимости, образованием значительного количества пор большого раз-
мера.
Рис. 2. Керамика Y3Al5O12, полученная методом низкотемпературного спекания в течение
30 с при давлении ∼ 7,7 ГПа и температуре 250 (1), 350 (2), 450 (3), 550 (4) °С; толщина
таблетки — 1 мм.
Известно, что в твердофазных АВД барическое воздействие существенно
отличается от условий гидростатического сжатия [12]. В образцах Y3Al5O12,
извлеченных из ячейки высокого давления, обычно обнаруживали трещины,
магистральный характер распространения которых свидетельствует о значи-
тельной неоднородности внешнего механического воздействия, возникающе-
го при разгрузке АВД (см. рис. 2). Вероятной причиной зарождения трещин
при снижении сжимающей образец нагрузки могут являться локальные пере-
напряжения материала вокруг микровключений посторонних фаз с сущест-
венно более низким модулем упругости в сравнении с алюмоиттриевым гра-
натом (Е ≈ 280 ГПа). Другой возможной причиной возникновения трещин
является наличие адсорбированных газов в нанопорошках. В условиях высо-
ких давлений термодесорбированные газы локализуются в микропорах спе-
каемого материала, создавая противодавление, препятствующее его уплотне-
нию. Эти же газонаполненные микропоры могут являться центрами зарожде-
ния трещин, если возникающие вокруг них при снятии внешнего сжимающе-
го усилия напряжения превышают предельные значения прочности консоли-
дированного материала. Отметим, что в технологиях магнитно-импульсного
прессования проведение предварительной холодной или горячей дегазации
нанопорошков оксидов в вакууме позволяет стабильно получать плотные и
цельные компакты [13].
Образцы Y3Al5O12, полученные при давлении ∼ 7,7 ГПа и температурах
250, 350 и 450 °С, являются монофазными — на рентгеновских дифракто-
граммах наблюдали линии, соответствующие кубической фазе граната
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2009, № 4 59
(рис. 3). В то же время в об-
разце, полученном при
550 °С, кроме фазы граната,
содержание которой состави-
ло 92 % (по массе), дополни-
тельно была обнаружена фаза
орторомбического YАlO3 —
5—8 % (по массе). Из этих
данных следует, что повыше-
ние температуры консолида-
ции до 550 °С в условиях дей-
ствия высоких давлений при-
водит к распаду Y3Al5O12. В
[14] было также обнаружено
разложение фазы граната
Y3Al5O12 на иттрий-алюми-
ниевый перовскит YАlO3 и
оксид алюминия Аl2O3 со-
гласно схеме Y3Al5O12 →
3YАlO3 + Аl2O3. Однако на
дифрактограмме керамики,
спеченной при 550 °С, ди-
фракционных линий оксида
алюминия зафиксировано не
было, вероятно, из-за его со-
держания ниже пределов об-
наружения рентгенофазовым
методом. Наличие посторон-
них фаз, имеющих кристалли-
ческую структуру и показа-
тель преломления отличные
от основной фазы, приводит к
значительному рассеянию
света на границах раздела фаз
и потере прозрачности кера-
мики, полученной при 550 °С
(см. рис. 2, 4).
Согласно данным рентге-
новского анализа, размер ОКР
(D) в исходных нанопорошках
Y3Al5O12 составляет ∼ 15 нм.
Воздействие высокого давле-
ния приводит к уменьшению
ОКР при относительно низких
температурах баротермиче-
ского воздействия. С увели-
чением температуры спекания D возрастает и для Т = 550 °С становится
сравнимым с размерами ОКР исходных порошков (D = 14 нм). Уменьшение
ОКР керамики может быть связано с деформацией нанокристаллов под дей-
ствием высоких давлений, которые релаксируют, например, посредством
образования двойников (следует отметить, что дислокационная пластичность
I/I
0
D = 14 нм
D = 11,5 нм
D = 9,5 нм
D = 15 нм
1
2
3
4
30 50 70 90 2θ, град
Рис. 3. Дифрактограммы исходных нанопорошков
Y3Al5O12 (1) и наноструктурированной керамики
Y3Al5O12, спеченной в течение 30 с при давлении
∼ 7,7 ГПа и температуре 350 (2); 450 (3) и 550 (4) °С;
* — YАlO3.
www.ism.kiev.ua; www.rql.kiev.ua/almaz_j 60
Y3Al5O12 затруднена). Формирование двойниковых прослоек может осущест-
вляться по краудионному механизму [15]. Деформация материала при высо-
ких напряжениях и низких температурах была успешно интерпретирована с
учетом этого механизма. Возможно, что он имеет место и при холодном
прессовании нанопорошков [14]. Увеличение ОКР с ростом температуры
консолидации, вероятно, происходит вследствие залечивания дефектов кри-
сталлического строения, а также в результате первичной рекристаллизации.
Согласно данным СЭМ, полученная керамика Y3Al5O12 является нано-
структурированной с размером зерен менее 100 нм (рис. 4, 5). В материале
практически полностью отсутствуют поры микронного размера (см. рис. 4),
которые являются основными центрами рассеяния света [16]. По нашему
мнению, именно этот фактор является определяющим и влияющим на уро-
вень светопропускания наноструктурированной керамики Y3Al5O12. Размер
зерен керамики практически не изменяется при варьировании температуры,
давления и времени выдержки, а фактор роста зерна при консолидации не
превышал единицы для всех режимов баротермического воздействия.
100 нм
Рис. 4. Микроструктура керамики Y3Al5O12, полученной в течение 30 с при давлении
∼ 7,7 ГПа и температуре 450 °С.
Согласно данным ПЭМ высокого разрешения, средний размер зерна нано-
структурированной керамики Y3Al5O12 в различных участках образца лежит в
пределах 20—40 нм (см. рис. 5, а). Эти значения сопоставимы и даже мень-
ше, чем размер частиц исходного порошка. Данные микроанализа по распре-
делению элементов свидетельствуют о сохранении стехиометрии Y3Al5O12
как внутри зерен, так и по границам. Таким образом, при консолидации на-
нопорошков при высоких давлениях заметного роста зерен не происходит,
что естественно объясняется низкими температурами и малыми временами
процесса.
Детальный анализ микроструктуры керамики Y3Al5O12 позволил выявить
два типа межзеренных границ: большеугловые многофасеточные границы с
фасетками произвольной ориентации (см. рис. 5, а) и плохо сформированные
“рыхлые” границы, которые могут быть описаны как межзеренные прослой-
ки (см. рис. 5, б). В микроструктуре керамики Y3Al5O12 преобладают много-
фасеточные границы. Это неравновесные границы, характеризующиеся дос-
таточно низкой плотностью совпадающих узлов (по сравнению с когерент-
ными границами) и переменным углом разориентации. Ширина границ со-
ставляет 1—2 нм, что сравнимо с параметром решетки Y3Al5O12 (а = 1,
20089 нм). Аналогичная структура границ была выявлена и в других типах
наноструктурированных материалов, например, в BN [17] и TiO2 [18]. Грани-
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2009, № 4 61
цы второго типа характеризуются большим свободным объемом и ярко вы-
раженной дефектной структурой. Они обладают меньшей плотностью по
сравнению с плотностью зерна, о чем свидетельствует их более светлый кон-
траст на изображениях (см. рис. 5, б). Снижение плотности, вероятнее всего,
обусловлено нанопористостью границ (см. например, [6]). Несмотря на высо-
кую плотность керамики Y3Al5O12 после спекания (95—99 %), многие грани-
цы зерен данного типа не завершены, и наблюдается скорее механический
контакт зерен, чем кристаллическая решетка истинной границы.
10 нм
а
20 нм
б
5 нм
0,49 нм; (211)
0,30 нм; (400) 0,30 нм; (400)
в
Рис. 5. Микроструктура нанокерамики Y3Al5O12, спеченной при давлении ∼ 7,7 ГПа в
течение 30 с при 450 °С: а — многофасеточные границы зерен с фасетками произвольной
ориентации; б — “рыхлые” границы (стрелками указаны области пониженной плотности);
в — нанопора в тройном стыке; в скобках указаны кристаллографические индексы атом-
ных плоскостей.
Полученная керамика характеризуется однородным распределением пор
по объему и размеру, а также отсутствием крупных пор. Например, в трой-
ных стыках между зернами присутствуют наноразмерные поры, средний раз-
мер которых составляет 3—7 нм (см. рис. 5, в). Капиллярное давление в таких
порах достигает нескольких ГПа и приложенное внешнее давление оказыва-
ется недостаточным для их закрытия. Одной из причин образования остаточ-
ной нанопористости может быть торможение уплотнения большими порами
в агломерированных порошках [5].
Появление светопрозрачности у наноструктурированной керамики, оче-
видно, связано с уменьшением размера пор ниже предела, при котором они
www.ism.kiev.ua; www.rql.kiev.ua/almaz_j 62
рассеивают свет. Согласно модели, предложенной в [19] для описания опти-
ческих свойств нанопористых объектов, рассеянием света на порах размером
l можно пренебречь, если для данной длины волны λ размерный параметр χ =
πl/λ будет намного меньше единицы. Это означает, что для каждой длины
волны существует определенный критический размер пор, ниже которого они
не рассеивают свет. Комбинирование этого условия с данными о спектраль-
ной полосе пропускания Y3Al5O12 (> 80 % для λ = 250—6500 нм) позволяет
сформулировать критерий прозрачности наноструктурированной керамики
Y3Al5O12 — она не должна содержать поры размером больше 10 нм. Это по-
зволит избежать рассеяния света на остаточных порах керамики во всем диа-
пазоне ее прозрачности. На рис. 6. приведены спектры полного пропускания
прозрачных образцов наноструктурированной керамики Y3Al5O12. Образцы
Y3Al5O12 имели желтоватый оттенок. Коэффициент пропускания Y3Al5O12
составил 40—45 % в диапазоне видимых длин волн. Полученный уровень
прозрачности наноструктурированной керамики значительно ниже теорети-
ческого предела пропускания монокристаллов Y3Al5O12 (84 % в видимой
области спектра). Это может быть связано с поглощением света на микроде-
фектах керамики, а также с наличием трещин в керамике, дополнительно
снижающих ее пропускание. Низкое значение полного спектрального коэф-
фициента пропускания в коротковолновой области спектра, вероятнее всего,
связано с наличием окраски керамики, природа которой выясняется. В каче-
стве возможной причины возникновения желтой окраски кристаллов граната
может быть названо наличие неконтролируемых примесей двухвалентных
катионов (преимущесвенно кальция и магния), образующих с матричными
ионами кислорода комплексные центры окраски.
200 400 600 800
0
10
20
30
40
T, %
λ, нм
1
2
Рис. 6. Спектры полного пропускания наноструктурированной керамики Y3Al5O12 толщиной
1 мм, спеченной в течение 30 с при давлении ∼ 7,7 ГПа и температуре 350 (1) и 450 (2) °С.
Для керамик с микронным размером зерна известно, что совершенство
межзеренных границ оказывает определяющее влияние на их оптические
свойства. В высокопрозрачных керамиках (сравнимых по оптическим свой-
ствам с монокристаллами) границы зерен являются двойниковыми [14], что
обеспечивает прозрачность границ для квантов света и инжектированных
акустических фононов. Для наиболее совершенных образцов толщина границ
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2009, № 4 63
составляет 0,2—0,5 нм, что меньше половины параметра решетки Y3Al5O12
[20, 21]. Таким образом, для повышения прозрачности наноструктурирован-
ной керамики необходимо уменьшать общее количество и размер пор, а так-
же достигать более высокого совершенства межзеренных границ. Совершен-
ствование границ путем повышения температуры спекания невозможно из-за
обнаруженного распада фазы граната, однако может быть достигнуто путем
увеличения времени баротермического воздействия при консолидации нано-
дисперсного порошка либо в результате последующего термического отжига
полученной керамики.
Выводы
Методом низкотемпературной консолидации химически осажденных по-
рошков при высоких давлениях получена наноструктурированная керамика
Y3Al5O12 с коэффициентом пропускания 40—45 % в диапазоне видимых длин
волн. Определены условия получения прозрачной керамики с размером зерен
20—40 нм (давление 7,7 ГПа, температура 350—450 °С). Показано, что спе-
кание порошков при более высоких температурах приводит к распаду фазы
граната на иттрий-алюминиевый перовскит YАlO3 и оксид алюминия Аl2O3,
что приводит к полной потере прозрачности керамики. Выявлено два типа
межзеренных границ в керамике Y3Al5O12 — большеугловые многофасеточ-
ные границы и “рыхлые” нанопористые границы. Более низкие оптические
свойства наноструктурированной керамики Y3Al5O12 по сравнению с моно-
кристаллами могут быть обусловлены поглощением света на микродефектах
и центрах окраски.
Авторы выражают искреннюю признательность академику НАН Украины
С. А. Фирстову за помощь в проведении структурных исследований керами-
ки методом ПЭМВР, к. ф.-м. н. А. В. Лопину за измерение спектров полного
оптического пропускания керамики.
1. Выдрик Г. А., Соловьева Т. В., Харитонов Ф. Я. Прозрачная керамика. — M.: Энергия,
1980. — 96 с.
2. Pat. 3218963 (A) Japan, IC1-7 C 04 B 35/44. Production of transparent yttrium-aluminum
garnet ceramics / Ikesue A. — Publ. 26.09.91.
3. Pat. 10101333 (A) Japan, IC1-7 C 04 B 35/44; C 01 F 17/00; H 01 S 3/16. Production of
yttrium-aluminum-garnet fine powder / T. Yanagitani, H. Yagi, M. Ichikawa. — Publ.
21.04.98;
4. Pat. 10101411 (A) Japan, IC1-7 C 04 B 35/44; C 01 F 17/00. Production of fine powder of
yttrium aluminum garnet / T. Yanagitani, H. Yagi, Y. Hiro. — Publ. 21.04.98.
5. Pat. 6825144 B2 USA, IC7 C 04 B 35/50. Translucent rare earth oxide sintered article and
method for production thereof / H. Yagi, T. Yanagitani. — Publ. 30.11.04.
6. Рагуля А. В., Скороход В. В. Консолидированные наноструктурные материалы. — Киев:
Наук. думка, 2007. — 376 c.
7. Fedyk R., Hreniak D., Łojkowski W. et al. Method of preparation and structural properties of
transparent YAG nanoceramics // Optical Materials. — 2007. — 29, N 10. — P. 1252—1257.
8. Hreniak D., Fedyk R., Bednarkiewicz A., Strek W., Łojkowski W. Luminescence properties of
Nd:YAG nanoceramics prepared by low temperature high pressure sintering method // Ibid.
— 2007. — 29, N 10. — P. 1244—1251.
9. Lu J., Ueda K., Yagi H. et al. Neodymium doped yttrium aluminum garnet (Y3Al5O12)
nanocrystalline ceramics — a new generation of solid state laser and optical materials // J. Al-
loys Compounds. — 2002. — 341, N 1—2. — P. 220—225.
10. Baumer V. N., Vovk E. A., Vovk O. M. et al. Transparent ceramics of yttrium-aluminum
garnet (Y3Al5O12) from nanocrystalline powders obtained by co-precipitation // Functional
Materials. — 2008. — 15, N 4. — P. 540—545.
www.ism.kiev.ua; www.rql.kiev.ua/almaz_j 64
11. Li J.-G., Ikegami T., Lee J.-H., Mori T. Low-temperature fabrication of transparent yttrium
aluminum garnet (YAG) ceramics without additives // J. Amer. Ceram. Soc. — 2000. — 83,
N 4. — P. 961—963.
12. Беженар Н. П., Божко С. А. Квазиизостатические условия холодного прессования и
спекания порошков кубического нитрида бора в аппаратах высокого давления типа
“тороид” // Синтез, спекание и свойства сверхтвердых материалов. — Киев: Ин-т
сверхтвердых материалов НАН Украины, 2000. — С. 112—119.
13. Кайгородов А. С., Иванов В. В., Паранин С. Н., Ноздрин А. А. Роль адсорбатов при
импульсном прессовании нанопорошков оксидов // Российские нанотехнологии. —
2007. — 2, № 1. — С. 112—118.
14. Hreniak D., Gierlotka S., Lojkowski W. et al. High-pressure induced structural decomposition
of RE-doped YAG nanoceramics // Solid State Phenomena. — 2005. — 106. — P. 17—22.
15. Акчурин М. Ш., Гайнутдинов Р. В., Закалюкин Р. М., Каминский А. А. Оптические
керамики — строение, свойства, модели образования // Поверхность. Рентгеновские,
синхротронные и нейтронные исследования. — 2008. — № 9. — С. 42—47.
16. Ikesue A., Aung Y. L., Taira T. et al. Progress in ceramic lasers // Annu. Rev. Mater. Res. —
2006. — 36. — P. 397—429.
17. Курдюмов А. В., Бритун В. Ф., Даниленко А. И., Зелявский В. Б., Волкогон В. М. Струк-
тура поликристаллов, полученных спеканием нанокристаллических порошков кубичес-
кого и вюрцитного нитрида бора // Сверхтв. материалы. — 2007. — № 1. — С. 18—23.
18. Ishida Y., Ichinose H., Kizuka T., Suenaga K. High-Resolution electron microscopy of inter-
faces in nanocrystalline materials // Nanostructured Mater. — 1995. — 6, № 1—4. —
P. 115—124.
19. Braun M. M., Pilon L. Effective optical properties of non-absorbing nanoporous thin films //
Thin Solid Films. — 2006. — 496, N 2. — P. 505—514.
20. Барабаненков Ю. Н., Иванов С. Н., Таранов А. В. и др. Неравновесные акустические
фононы в нанокристаллических керамиках на основе Y3Al5O12 // Письма в ЖЭТФ. —
2004. — 79, вып. 7. — C. 421—424.
21. Акчурин М. Ш., Гайнутдинов Р. В., Каминский А. А. и др. Особенности кинетики
субтерагерцовых фононов в оптически прозрачных керамиках на основе Y3Al5O12 с
элементами двойникования в структуре // Там же. — 2009. — 135, вып. 1. — C. 93—97.
Ин-т монокристаллов НАН Украины Поступила 16.04.09
Ин-т сверхтвердых материалов
им. В. Н. Бакуля НАН Украины
Ин-т проблем материаловедения
им. И. Н. Францевича НАН Украины
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-63404 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0203-3119 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T19:03:43Z |
| publishDate | 2009 |
| publisher | Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Вовк, Е.А. Дейнека, Т.Г. Дорошенко, А.Г. Ткаченко, В.Ф. Толмачев, А.В. Явецкий, Р.П. Петруша, И.А. Ткач, В.Н. Туркевич, В.З. Даниленко, Н.И. 2014-06-01T07:09:23Z 2014-06-01T07:09:23Z 2009 Получение прозрачной наноструктурированной керамики Y₃Al₅O₁₂ / Е.А. Вовк, Т.Г. Дейнека, А.Г. Дорошенко, В.Ф. Ткаченко, А.В. Толмачев, Р.П. Явецкий, И.А. Петруша, В.Н. Ткач, В.З. Туркевич, Н.И. Даниленко // Сверхтвердые материалы. — 2009. — № 4. — С. 55-64. — Бібліогр.: 21 назв. — рос. 0203-3119 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/63404 621.762.5-022.532 Методом низкотемпературной консолидации порошка Y₃Al₅O₁₂ в диапазоне температур 250—550 °С при давлениях 6—7,7 ГПа получена нанокристаллическая керамика Y₃Al₅O₁₂ c различным фазовым составом, микроструктурой и оптическими характеристиками. Определены условия получения прозрачной наноструктурированной керамики Y₃Al₅O₁₂ c размерами зерен 20—40 нм, коэффициент пропускания которой в видимой области спектра составляет 40—45 %. Сформулированы критерии прозрачности наноструктурированной керамики, обсуждаются пути повышения ее оптических характеристик. Авторы выражают искреннюю признательность академику НАН Украины С. А. Фирстову за помощь в проведении структурных исследований керамики методом ПЭМВР, к. ф.-м. н. А. В. Лопину за измерение спектров полного оптического пропускания керамики. ru Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України Сверхтвердые материалы Получение, структура, свойства Получение прозрачной наноструктурированной керамики Y₃Al₅O₁₂ Article published earlier |
| spellingShingle | Получение прозрачной наноструктурированной керамики Y₃Al₅O₁₂ Вовк, Е.А. Дейнека, Т.Г. Дорошенко, А.Г. Ткаченко, В.Ф. Толмачев, А.В. Явецкий, Р.П. Петруша, И.А. Ткач, В.Н. Туркевич, В.З. Даниленко, Н.И. Получение, структура, свойства |
| title | Получение прозрачной наноструктурированной керамики Y₃Al₅O₁₂ |
| title_full | Получение прозрачной наноструктурированной керамики Y₃Al₅O₁₂ |
| title_fullStr | Получение прозрачной наноструктурированной керамики Y₃Al₅O₁₂ |
| title_full_unstemmed | Получение прозрачной наноструктурированной керамики Y₃Al₅O₁₂ |
| title_short | Получение прозрачной наноструктурированной керамики Y₃Al₅O₁₂ |
| title_sort | получение прозрачной наноструктурированной керамики y₃al₅o₁₂ |
| topic | Получение, структура, свойства |
| topic_facet | Получение, структура, свойства |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/63404 |
| work_keys_str_mv | AT vovkea polučenieprozračnoinanostrukturirovannoikeramikiy3al5o12 AT deinekatg polučenieprozračnoinanostrukturirovannoikeramikiy3al5o12 AT dorošenkoag polučenieprozračnoinanostrukturirovannoikeramikiy3al5o12 AT tkačenkovf polučenieprozračnoinanostrukturirovannoikeramikiy3al5o12 AT tolmačevav polučenieprozračnoinanostrukturirovannoikeramikiy3al5o12 AT âveckiirp polučenieprozračnoinanostrukturirovannoikeramikiy3al5o12 AT petrušaia polučenieprozračnoinanostrukturirovannoikeramikiy3al5o12 AT tkačvn polučenieprozračnoinanostrukturirovannoikeramikiy3al5o12 AT turkevičvz polučenieprozračnoinanostrukturirovannoikeramikiy3al5o12 AT danilenkoni polučenieprozračnoinanostrukturirovannoikeramikiy3al5o12 |