Эволюция структурной организации наноразмерного ксерогеля гидроокиси циркония при размоле и прессовании
Исследована эволюция структурной организации наноразмерного ксерогеля гидроокисей циркония и иттрия при размоле и прессовании с использованием просвечивающей электронной микроскопии и методики определения объема поровых каналов по удалению воды при ее испарении. Обнаружено, что у ксерогеля, промытог...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Физика и техника высоких давлений |
|---|---|
| Дата: | 2009 |
| Автори: | , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
2009
|
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/69218 |
| 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: | Эволюция структурной организации наноразмерного ксерогеля гидроокиси циркония при размоле и прессовании / С.В. Габелков, Р.В. Тарасов, А.Г. Миронова, М.П. Старолат, Н.Ф. Андриевская // Физика и техника высоких давлений. — 2009. — Т. 19, № 3. — С. 94-110. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859729975087726592 |
|---|---|
| author | Габелков, С.В. Тарасов, Р.В. Миронова, А.Г. Старолат, М.П. Андриевская, Н.Ф. |
| author_facet | Габелков, С.В. Тарасов, Р.В. Миронова, А.Г. Старолат, М.П. Андриевская, Н.Ф. |
| citation_txt | Эволюция структурной организации наноразмерного ксерогеля гидроокиси циркония при размоле и прессовании / С.В. Габелков, Р.В. Тарасов, А.Г. Миронова, М.П. Старолат, Н.Ф. Андриевская // Физика и техника высоких давлений. — 2009. — Т. 19, № 3. — С. 94-110. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Физика и техника высоких давлений |
| description | Исследована эволюция структурной организации наноразмерного ксерогеля гидроокисей циркония и иттрия при размоле и прессовании с использованием просвечивающей электронной микроскопии и методики определения объема поровых каналов по удалению воды при ее испарении. Обнаружено, что у ксерогеля, промытого дистиллированной водой, размол приводит к разрушению на фрагменты 38% агломератов, а прессование – еще 44% агломератов и 52% агрегатов. В результате промывки ксерогеля спиртом деструктировалось 29% агломератов. При размоле разрушились еще 55.7% агломератов и 58% агрегатов, а при прессовании – еще 1.6% агломератов и 4.5% агрегатов. Установлено, что в пористых объектах отсутствуют поровые каналы между агломератами, а наибольший диаметр имеют каналы между агрегатами во фрагментах агломератов. Экспериментально обнаружены еще две стадии при прессовании порошков: разрушение агрегатов и разрушение «первичных частиц».
Досліджено еволюцію структурної організації нанорозмірного ксерогелю гідроокисів цирконію й ітрію при розмелюванні та пресуванні з використанням просвічуючої електронної мікроскопії й методики визначення об’єму порових каналів по видаленню води при її випаровуванні. Виявлено, що у ксерогелі, промитому дистильованою водою, розмелювання призводить до руйнування на фрагменти 38% агломератів, а пресування – ще 44% агломератів і 52% агрегатів. У результаті промивання ксерогелю спиртом диструктурувалося 29% агломератів. При розмелюванні зруйнувалися ще 55.7% агломератів і 58% агрегатів, а при пресуванні – ще 1.6% агломератів і 4.5% агрегатів. Встановлено, що у спресованих пористих об'єктах відсутні порові канали між агломератами, а найбільший діаметр мають канали між агрегатами у фрагментах агломератів. Експериментально виявлено ще дві стадії при пресуванні порошків: руйнування агрегатів і руйнування «первинних часток».
Evolution of the structural organisation of zirconium and yttrium hydroxide nanosize xerogel at milling and pressing using transmission microscopy and method of determination of pore channels volume on water removal at its evaporation has been investigated. Milling of xerogel, washed out by the distilled water, leads to destruction of 38% of agglomerates into fragments, and pressing – 44% more of agglomerates and 52% of aggregates. As a result of washing xerogel by alcohol, 29% of agglomerates were broken. At milling 55.7% more of agglomerates and 58% of aggregates have collapsed, and at pressing – another 1.6% of agglomerates and 4.5% of aggregates. It has been determined that in pressed porous objects there are no pore channels between agglomerates, and channels between aggregates in fragments of agglomerates have the greatest diameter. Two more stages have been found experimentally at powder pressing: destruction of aggregates and destruction of «primary particles».
|
| first_indexed | 2025-12-01T12:51:39Z |
| format | Article |
| fulltext |
Физика и техника высоких давлений 2009, том 19, № 3
© С.В. Габелков, Р.В. Тарасов, А.Г. Миронова, М.П. Старолат, Н.Ф. Андриевская, 2009
PACS: 61.43.Hv, 61.43.Gt, 61.46.Df
С.В. Габелков, Р.В. Тарасов, А.Г. Миронова, М.П. Старолат,
Н.Ф. Андриевская
ЭВОЛЮЦИЯ СТРУКТУРНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ НАНОРАЗМЕРНОГО
КСЕРОГЕЛЯ ГИДРООКИСИ ЦИРКОНИЯ ПРИ РАЗМОЛЕ
И ПРЕССОВАНИИ
ННЦ «Харьковский физико-технический институт»
ул. Академическая, 1, г. Харьков, 61108, Украина
E-mail: gabelkov@kipt.kharkov.ua
Статья поступила в редакцию 20 октября 2008 года
Исследована эволюция структурной организации наноразмерного ксерогеля гидрооки-
сей циркония и иттрия при размоле и прессовании с использованием просвечивающей
электронной микроскопии и методики определения объема поровых каналов по удале-
нию воды при ее испарении. Обнаружено, что у ксерогеля, промытого дистиллирован-
ной водой, размол приводит к разрушению на фрагменты 38% агломератов, а прессо-
вание – еще 44% агломератов и 52% агрегатов. В результате промывки ксерогеля
спиртом деструктировалось 29% агломератов. При размоле разрушились еще 55.7%
агломератов и 58% агрегатов, а при прессовании – еще 1.6% агломератов и 4.5% аг-
регатов. Установлено, что в пористых объектах отсутствуют поровые каналы ме-
жду агломератами, а наибольший диаметр имеют каналы между агрегатами во
фрагментах агломератов. Экспериментально обнаружены еще две стадии при прес-
совании порошков: разрушение агрегатов и разрушение «первичных частиц».
Ключевые слова: агломерат, агрегат, гидроокись циркония, наноразмерный ксеро-
гель, поровые каналы, «первичные частицы», прессование, размол, спрессованный
пористый объект, структурная организация
Введение
Керамические материалы из оксида циркония обладают высокими физи-
ко-химическими свойствами, что позволяет применять их для производства
изделий конструкционного, инструментального и функционального назна-
чения [1–7]. Для успешного решения этих задач целесообразно использова-
ние наноразмерных порошков, которым присуща способность к спеканию
при более низких температурах, что позволяет сократить энергозатраты при
получении керамических материалов. К сожалению, возможности нанораз-
мерных порошков реализуются далеко не полностью из-за образования аг-
ломератов, склонность к появлению которых возрастает с уменьшением
размера индивидуальных частиц [4,6,7–12].
Физика и техника высоких давлений 2009, том 19, № 3
95
Изменение морфологии порошков в результате размола и прессования
является существенным моментом для понимания влияния агломерации на
физико-механические характеристики полученной керамики. Условия со-
осаждения, термического разложения труднорастворимых соединений и по-
следующего синтеза стабилизированного оксида циркония определяют
структурную организацию наноразмерных порошков. Размол порошков и
прессование из них заготовок, являющиеся одними из основных стадий тех-
нологии изготовления нанокерамики, решающим образом влияют на фор-
мирование структуры пористого объекта, которая в значительной степени
определяет необходимые режимы спекания и в конечном итоге свойства по-
лученного керамического материала [5–7,10,13,14]. Удобно в качестве мо-
дельного материала для изучения изменения морфологии порошков исполь-
зовать гидроокись циркония, имеющую хорошую уплотняемость и являю-
щуюся предшественником в технологии получения наноразмерных порош-
ков стабилизированного оксида циркония [8,9,13,15].
Целью данной работы было исследование эволюции структурной органи-
зации ксерогеля гидроокисей циркония и иттрия при размоле и прессовании.
Методика эксперимента
Гель получали методом совместного осаждения гидроокисей циркония и
иттрия из смеси водных растворов их азотнокислых солей гидроокисью ам-
мония. Количество иттрия определялось из необходимости получения в по-
следующем стабилизированного тетрагонального оксида циркония (ZrO2–
3 mass% Y2O3) [3]. Промывку осадков проводили двумя способами: дистил-
лированной водой и этиловым спиртом. Ксерогели сформировались при
сушке геля в течение 35–40 h при температуре 30–40°С. Сухой размол ксе-
рогеля гидроокисей циркония и иттрия вели в герметичном барабане шаро-
вой мельницы стальными шарами в течение 10 h при отношении массы ма-
териала к массе шаров, равном 1:20. Пористые порошковые объекты в виде
таблеток диаметром 14.5 mm и высотой 2–3 mm готовили из молотого и не-
молотого ксерогеля гидроокисей циркония и иттрия, промытых водой или
спиртом, прессованием при комнатной температуре на воздухе в стальной
пресс-форме при удельном давлении 2560 kg/cm2.
Объем поровых каналов в ксерогелях гидроокисей циркония и иттрия до
размола, после него и в пористых объектах, полученных их прессованием,
определяли по удалению воды из них при ее испарении согласно методике
[16], которая является более доступной по сравнению с ртутной порометри-
ей [17] и не приводит к изменению морфологии ксерогелей и порошков, а
также к разрушению пористых объектов из них во время измерений.
Морфологию ксерогеля гидроокисей циркония и иттрия исследовали на
просвечивающем электронном микроскопе Tesla-613 (ускоряющее напряже-
ние 100 kV). Диспергированный в дистиллированной воде ксерогель захва-
тывался ацетилцеллюлозной пленкой, которая использовалась как подложка
Физика и техника высоких давлений 2009, том 19, № 3
96
при их изучении. Локальный контроль состояния ксерогеля (кристалличе-
ское–аморфное) проводили электронографическим методом.
Методом водной пикнометрии определяли пикнометрическую плотность
ксерогелей гидроокисей циркония и иттрия.
Экспериментальные результаты
При проведении исследований изучали немолотый и молотый ксерогели
гидроокисей циркония и иттрия, промытые дистиллированной водой или
спиртом, и полученные из них прессованием пористые порошковые объек-
ты. Согласно методике [16] ксерогель или пористые объекты помещали в
лоток, откачивали на вакуум и пропитывали дистиллированной водой. Зави-
симости масс систем «ксерогель гидроокисей циркония и иттрия–вода» и
«пористый объект из ксерогеля гидроокисей циркония и иттрия–вода» от
времени получены в течение их сушки при постоянной температуре.
Зависимость массы второй системы (промывка спиртом) от времени при-
ведена на рис. 1. Как видно из рисунка, масса системы с течением времени
убывает и через определенный промежуток достигает постоянной величины.
Зависимость имеет четыре линейных участка. Прямые, продолжающие ли-
нейные участки до пересечения с осью ординат, отсекают на последней вели-
чины масс, разности которых (m0 – m1), (m1 – m2) и (m2 – m3) численно равны
объемам поровых каналов соответственно между агрегатами во фрагментах
агломератов, между «несвязанными» агрегатами и между «первичными час-
тицами» в агрегатах. Постоянная величина массы, соответствующая четвер-
тому участку, численно равна мас-
се твердой фазы. Объем твердой
фазы находим, используя пикно-
метрическую плотность гидрооки-
сей циркония и иттрия. Абсциссы
точек последовательного пересече-
ния этих прямых друг с другом да-
ют значения продолжительностей
стадий испарения воды из каждой
совокупности поровых каналов
близких диаметров. Объемы всех
поровых каналов для остальных
систем были определены с исполь-
зованием аналогичных зависимо-
стей масс этих систем от времени.
Для удобства анализа получен-
ных результатов рассмотрим 1 cm3
немолотого ксерогеля гидроокисей
циркония и иттрия. Этот объем
представляет собой сумму объемов
Рис. 1. Зависимость массы системы «порис-
тый объект из ксерогеля гидроокисей цир-
кония и иттрия–вода» (промывка ксерогеля
спиртом) от времени сушки при температу-
ре 35 ± 5°C: m0 – начальная масса системы;
(m0 – m1), (m1 – m2) и (m2 – m3) – разности
масс, численно равные объемам поровых
каналов между агрегатами во фрагментах
агломератов, между «несвязанными» агре-
гатами и между «первичными частицами» в
агрегатах; I, II, III и IV – 1-, 2-, 3- и 4-я ста-
дии соответственно
Физика и техника высоких давлений 2009, том 19, № 3
97
всех совокупностей поровых каналов и твердой фазы. В результате размола
объем твердой фазы не меняется, поскольку масса ксерогеля остается посто-
янной, хотя изменяются объемы поровых каналов и суммарный объем моло-
того ксерогеля. Для возможности сравнения суммарных объемов немолото-
го и молотого ксерогелей и объемов имеющихся в них совокупностей поро-
вых каналов рассматриваем такую же массу молотого ксерогеля, как и не-
молотого для обеспечения равенства объемов твердых фаз. Ориентируясь по
объему твердой фазы, получаем возможность провести сравнение как сум-
марных объемов немолотых и молотых ксерогелей и пористых объектов из
них, так и (что более важно) объемов имеющихся в них совокупностей по-
ровых каналов. Значения объемов поровых каналов, твердой фазы и сум-
марные объемы наноразмерных ксерогелей и пористых объектов из них
приведены на рис. 2. Пикнометрическая плотность ксерогеля гидроокисей
составила 3.26 g/cm3. Ксерогель не имеет закрытой пористости.
а б
Рис. 2. Объемы поровых каналов в наноразмерных ксерогелях и пористых объектах
из них: а – промывка ксерогелей водой, б – спиртом. Объем твердой фазы постоя-
нен и равен 0.342 сm3 (на рисунке не приведен). КН и КМ – ксерогель немолотый и
молотый; ОН и ОМ – спрессованный пористый объект из немолотого и молотого
ксерогелей соответственно; I – каналы между «несвязанными» «первичными час-
тицами», II – каналы между «первичными частицами» в агрегатах, III – каналы ме-
жду «несвязанными» агрегатами, IV – каналы между агрегатами в агломератах и их
фрагментах, V – каналы между агломератами, VI – все каналы, VII – суммарный
объем (объемы твердой фазы и всех поровых каналов)
Немолотый ксерогель гидроокисей циркония и иттрия, промытый водой
(рис. 2,а, КН), в 1 cm3 содержит 0.342 cm3 твердой фазы и 0.658 cm3 порового
пространства. Поровое пространство состоит из 0.372 cm3 поровых каналов
между агломератами, 0.261 cm3 − между агрегатами внутри агломератов и
0.025 cm3 – между «первичными частицами» внутри агрегатов. Эти данные по-
зволяют рассчитать кажущуюся плотность и пористость структурных элемен-
Физика и техника высоких давлений 2009, том 19, № 3
98
тов ксерогеля. С учетом пикнометрической плотности ксерогеля гидроокисей
кажущаяся плотность «первичных частиц», агрегатов и агломератов составляет
3.26, 3.04 и 1.78 g/cm3, а пористость – 0, 6.8 и 45.4% соответственно. Самую
низкую плотность и самую высокую пористость имеют агломераты.
В результате размола суммарный объем молотого ксерогеля (рис. 2,а,
КМ) стал несколько меньше (0.978 cm3), чем немолотого. Хотя объем поро-
вого пространства уменьшился незначительно (до 0.636 cm3), объем поро-
вых каналов между агломератами увеличился до 0.453 cm3, а между агрега-
тами уменьшился до 0.162 cm3. Объем поровых каналов между «первичны-
ми частицами» практически не изменился (0.021 cm3).
Суммарный объем спрессованного пористого объекта из немолотого ксе-
рогеля гидроокисей (рис. 2,а, ОН) уменьшился в 2.18 раза (до 0.458 cm3) по
сравнению с немолотым ксерогелем. При этом значительно (в 5.62 раза)
уменьшился объем порового пространства (до 0.117 cm3). Поровые каналы
между агломератами в результате прессования полностью исчезли. Объем
поровых каналов между агрегатами в агломератах сократился в 5.44 раза (до
0.048 cm3). Появились поровые каналы между «несвязанными» агрегатами с
объемом, равным 0.041 cm3. Объем поровых каналов между «первичными
частицами» уменьшился в 1.79 раза (до 0.014 cm3). Появились поровые ка-
налы между «несвязанными» «первичными частицами» с объемом, равным
0.014 cm3. Кажущаяся плотность пористого объекта из немолотого ксероге-
ля равна 2.43 ± 0.02 g/cm3. Таким образом, в результате прессования сум-
марный объем уменьшился за счет сокращения объема порового простран-
ства. При этом наибольший вклад в уменьшение порового пространства вне-
сли исчезновение поровых каналов между агломератами и сокращение объ-
ема поровых каналов между агрегатами в агломератах.
В пористом объекте из молотого ксерогеля наблюдаются подобные изме-
нения. Так, суммарный объем (рис. 2,а, ОМ) уменьшился в 2.21 раза (до
0.452 cm3). Еще более существенно (в 5.98 раза) сократился объем порового
пространства (до 0.110 cm3). Поровые каналы между агломератами также
полностью отсутствуют. Объем поровых каналов между агрегатами в агло-
мератах уменьшился в 3.83 раза (до 0.068 cm3). Имеются поровые каналы
между «несвязанными» агрегатами с объемом, равным 0.012 cm3. Объем по-
ровых каналов между «первичными частицами» сократился в 2.27 раза (до
0.014 cm3). Поровые каналы между «несвязанными» «первичными частица-
ми» имеют объем 0.011 cm3. Кажущаяся плотность пористого объекта из
молотого ксерогеля равна 2.47 ± 0.02 g/cm3. Сравнение этих результатов для
пористых объектов из немолотого и молотого ксерогелей показывает, что
если изменения суммарного объема близки (в 2.18 и 2.21 раз соответствен-
но), то изменения объема порового пространства отличаются более сущест-
венно (в 5.62 и 5.98 раз соответственно). Погрешность измерений объемов
поровых каналов и твердой фазы составила 0.001–0.005 cm3.
Физика и техника высоких давлений 2009, том 19, № 3
99
Немолотый ксерогель гидроокисей циркония и иттрия, промытый спиртом
(рис. 2,б, КН), имеет меньший суммарный объем (0.88 cm3), чем промытый
водой немолотый ксерогель (рис. 2,а, КН). Он содержит такой же объем твер-
дой фазы (0.342 cm3) и меньший объем порового пространства (0.538 cm3).
Поровое пространство состоит из 0.22 cm3 поровых каналов между агломе-
ратами, 0.295 cm3 − между агрегатами внутри агломератов и 0.024 cm3 – ме-
жду «первичными частицами» внутри агрегатов.
В результате размола суммарный объем молотого ксерогеля, промытого
спиртом (рис. 2,б, КМ), стал существенно меньше (0.642 cm3), чем немолотого
(КН). Объем порового пространства уменьшился значительно (до 0.300 cm3),
и если объем поровых каналов между агломератами немного увеличился (до
0.234 cm3), то между агрегатами очень сильно сократился (до 0.056 cm3).
Объем поровых каналов между «первичными частицами» уменьшился в 2.66
раза (до 0.010 cm3).
Суммарный объем спрессованного пористого объекта из молотого ксеро-
геля гидроокисей, промытого спиртом (рис. 2,б, ОМ), сократился в 2.15 раза
(до 0.421 cm3) по сравнению с немолотым ксерогелем (рис. 2,б, КН). При
этом значительно (в 6.81 раза) уменьшился объем порового пространства (до
0.079 cm3). Поровые каналы между агломератами полностью отсутствуют.
Объем поровых каналов между агрегатами в агломератах уменьшился в 5.9
раза (до 0.050 cm3). Появились поровые каналы между «несвязанными» аг-
регатами с объемом, равным 0.020 cm3. Объем поровых каналов между
«первичными частицами» сократился вдвое (до 0.009 cm3). Кажущаяся
плотность пористого объекта из молотого ксерогеля равна 2.65 ± 0.02 g/cm3.
В этом случае в результате прессования суммарный объем уменьшился за
счет сокращения объема порового пространства. При этом наибольший
вклад в уменьшение порового пространства внесло также исчезновение по-
ровых каналов между агломератами и сокращение объема поровых каналов
между агрегатами в агломератах.
Сравнение результатов для пористых объектов из промытого водой или
спиртом ксерогеля показывает, что если изменения суммарного объема
близки (в 2.21 и 2.15 раз), то изменения объема порового пространства отли-
чаются более существенно (в 5.98 и 6.81 раз соответственно).
Значения скоростей испарения воды из различных совокупностей поро-
вых каналов с 1 cm2 открытой поверхности лотков, в которых находились
пропитанные водой немолотые и молотые наноразмерные ксерогели гидро-
окисей циркония и иттрия, промытые дистиллированной водой или спиртом,
и пористые объекты из них представлены на рис. 3. Скорость испарения воды
из поровых каналов между агрегатами у немолотого ксерогеля гидроокисей
циркония и иттрия, промытого водой (рис. 3,а, КМ), в 1.77 раза, а из поровых
каналов между «первичными частицами» в 26.3 раза меньше, чем из поровых
каналов между агломератами. В результате размола у молотого ксерогеля
Физика и техника высоких давлений 2009, том 19, № 3
100
а б
Рис. 3. Скорости испарения воды из поровых каналов в немолотых и молотых на-
норазмерных ксерогелях гидроокисей циркония и иттрия, промытых водой (а) и
спиртом (б), и в пористых объектах, спрессованных из них. Обозначения те же, что
на рис. 2
гидроокисей (КМ) скорость испарения воды из поровых каналов между
агломератами увеличилась до 0.03 g/(cm2·h), а между агрегатами и «первич-
ными частицами» значительно уменьшилась до 0.0085 и 0.00049 g/(cm2·h)
соответственно. В результате прессования у пористых объектов из немо-
лотого (ОН) и молотого (ОМ) ксерогелей поровые каналы между агломе-
ратами отсутствуют. Скорость испарения воды из поровых каналов меж-
ду агрегатами в агломератах уменьшилась в 2.9 и 1.8 раза (до 0.0047 и
0.005 g/(cm2·h)), а из поровых каналов между «несвязанными» агрегатами
составляет 0.0025 и 0.00088 g/(cm2·h) соответственно. Скорость испаре-
ния воды из поровых каналов между «первичными частицами» в агрега-
тах уменьшилась в 1.2 и 1.75 раза (до 0.00081 и 0.00028 g/(cm2·h)) соот-
ветственно, а из поровых каналов между «несвязанными» «первичными
частицами» составляет 0.000082 и 0.000077 g/(cm2·h) соответственно. По-
грешность измерений скорости испарения воды из поровых каналов со-
ставляла 0.00001–0.0006 g/(cm2·h).
Скорости испарения воды из поровых каналов между агломератами и
между агрегатами в агломератах немолотого ксерогеля гидроокисей цир-
кония и иттрия, промытого спиртом (рис. 3,б, КН), близки к таковым у
немолотого ксерогеля, промытого водой (рис. 3,а, КН), а из поровых ка-
налов между «первичными частицами» в агрегатах – в 2.08 раза меньше.
В результате размола у молотого ксерогеля гидроокисей (КМ) скорость
испарения воды из поровых каналов между агломератами также увеличилась
до 0.031 g/(cm2·h), а между агрегатами в агломератах и «первичными части-
цами» в агрегатах значительно уменьшилась до 0.0094 и 0.00013 g/(cm2·h)
соответственно. У пористого объекта из молотого ксерогеля (рис. 3,б,
Физика и техника высоких давлений 2009, том 19, № 3
101
ОМ) поровые каналы между агломератами отсутствуют. Скорость испа-
рения воды из поровых каналов между агрегатами в агломератах умень-
шилась в 3.17 раза (до 0.0052 g/(cm2·h)), а из поровых каналов между «не-
связанными» агрегатами составляет 0.00079 g/(cm2·h). Скорость испаре-
ния воды из поровых каналов между «первичными частицами» в агрега-
тах не изменилась и осталась равной 0.00013 g/(cm2·h).
Продолжительности испарения воды из поровых каналов немолотого и
молотого ксерогелей, промытых водой или спиртом, и пористых объектов из
них, нормированные на толщину слоя ксерогеля или пористого объекта,
приведены в таблице. У всех ксерогелей нормированные продолжительно-
сти испарения воды увеличиваются в ряду поровых каналов между агломе-
ратами, между агрегатами и между «первичными частицами». Это указывает
на то, что в данном ряду диаметры каналов уменьшаются. Нормированные
продолжительности испарения воды из поровых каналов между агломерата-
ми для всех ксерогелей с точностью измерения равны. Как для поровых ка-
налов между агрегатами в агломератах, так для поровых каналов между
«первичными частицами» немолотого и молотого ксерогелей, промытых во-
дой, тоже наблюдается равенство нормированных продолжительностей. Как
для немолотого ксерогеля, так и для молотого, промытого спиртом, норми-
рованная продолжительность испарения воды из поровых каналов между
агрегатами в агломератах и между «первичными частицами» в агрегатах
существенно больше, чем для ксерогелей, промытых водой. У молотого,
промытого спиртом ксерогеля по сравнению с немолотым продолжительно-
сти испарения воды из поровых каналов между агрегатами и между «пер-
вичными частицами» больше, чем у немолотого.
Таблица
Продолжительности испарения воды из поровых каналов, нормированные
на толщину слоя ксерогеля или пористого объекта из него
Продолжительность испарения воды, нормированная на толщину,
tn, h/cmКсерогель /
спрес-
сованный по-
ристый объект
между аг-
ломератами
между агре-
гатами в аг-
ломератах
между «не-
связанными»
агрегатами
между «ПЧ»
в агрегатах
между «не-
связанными»
«ПЧ»
КН **14.6/14.8 17.1/25.7 0/0 35.4/71.4 0/0
КМ 15.4/15.1 17.5/29.0 0/0 37.3/90.1 0/0
ОН 0/– 15.0/– 28.3/– 76.6/– 116/–
ОМ 0/0 15.2/17.6 30.3/26.8 78.1/79.6 126/0
*Δtn/tn,% ±4.0 ±4.0 ±3.6 ±4.2 ±6.0
Примечание. КН и КМ – ксерогель немолотый и молотый; ОН и ОМ –
спрессованный пористый объект из немолотого и молотого ксерогеля; ПЧ –
«первичные частицы», * – относительная погрешность нормированной про-
должительности; ** – для ксерогеля, промытого водой/спиртом.
Физика и техника высоких давлений 2009, том 19, № 3
102
У спрессованных пористых объектов, полученных из промытых водой
или спиртом немолотых и молотых ксерогелей, стадия испарения воды из
поровых каналов между агломератами отсутствует (см. таблицу). Для по-
ристых объектов, полученных из немолотого и молотого ксерогелей, промы-
тых водой, характерно с точностью измерений равенство продолжительно-
стей испарения воды из соответствующих поровых каналов между агрегата-
ми в агломератах, между «несвязанными» агрегатами, между «первичными
частицами» в агрегатах и между «несвязанными» «первичными частицами».
Для пористого объекта из молотого ксерогеля, промытого спиртом, продол-
жительности испарения воды из каналов между агрегатами в агломератах,
между «несвязанными» агрегатами и между «первичными частицами» в аг-
регатах больше, чем продолжительности для соответствующих поровых ка-
налов у пористого объекта из ксерогеля, промытого водой.
По данным просвечивающей электронной микроскопии ксерогель, промы-
тый водой, представляет собой совокупность больших агломератов эллип-
соидальной и неправильной формы с размерами 0.5–1 μm (рис. 4,а). Агло-
мераты сложены из агрегатов в основном неправильной формы с размерами
200–300 nm (рис. 4,б). Агрегаты состоят из «первичных частиц» с размерами
не более 75 nm. Ксерогель, промытый спиртом, представлен агломератами
а б
в г
Рис. 4. Просвечивающая электронная микроскопия ксерогеля гидроокисей цирко-
ния и иттрия: а, в – агломераты; б – агрегаты рядом с агломератом; г – агрегаты.
Промывка ксерогеля: дистиллированной водой – а, б; спиртом – в, г
500 nm 200 nm
500 nm 320 nm
Физика и техника высоких давлений 2009, том 19, № 3
103
неправильной формы такого же размера (0.5–0.9 μm) (рис. 4,в). Агрегаты с
размерами 120–150 nm имеют неправильную форму и состоят из «первич-
ных частиц» с размерами не более 15–30 nm (рис. 4,г). Как видно, ксерогели
имеют, как минимум, три уровня организации: агломераты, агрегаты и «пер-
вичные частицы». Последние состоят из гидроокисей циркония и иттрия,
которые находятся в аморфном состоянии.
Обсуждение
Рассмотрим ксерогель с точки зрения заполнения пространства в нем аг-
ломератами, в агломерате – агрегатами и в агрегате – «первичными части-
цами» как укладку гранул близких диаметров с заметной несферичностью
[18]. Используем при этом размеры агломератов, агрегатов и «первичных
частиц», полученных методом электронной микроскопии (рис. 4). В итоге
получим, что в немолотом ксерогеле, промытом водой, поровые каналы ме-
жду агломератами имеют эффективные диаметры 230–260 nm, между агре-
гатами в агломератах – 70–90 nm и между «первичными частицами» в агре-
гатах – 15–25 nm. В немолотом ксерогеле, промытом спиртом, поровые ка-
налы между агрегатами в агломератах имеют диаметры 40–50 nm, а между
«первичными частицами» в агрегатах – 5–10 nm. Размеры поровых каналов
между агломератами такие же, как и у ксерогеля, промытого водой.
Объем поровых каналов между агломератами немолотого ксерогеля, промы-
того водой, составил 0.372 cm3 (рис. 2,а, КН), а объем агломератов равен разно-
сти суммарного объема и объема поровых каналов между агломератами 1 cm3 –
– 0.372 cm3 = 0.628 cm3, т.е. 62.8% суммарного объема. Это соответствует плот-
ной укладке гранул близких диаметров с заметной несферичностью [18]. В ре-
зультате размола объем поровых каналов между агломератами у молотого ксеро-
геля увеличился до 0.453 cm3 за счет того, что между агломератами находятся их
разрушенные фрагменты. Объем агломератов равен 0.978 cm3 – 0.453 cm3 =
= 0.525 cm3 и составляет 53.7% суммарного объема молотого ксерогеля. Объем
каналов между агрегатами внутри агломератов уменьшился до 0.162 cm3. Крите-
рий степени разрушения агломератов при размоле Km, предложенный нами в ра-
боте [1] как отношение разности объемов поровых каналов между агрегатами в
агломератах ксерогеля до и после размола к таковому до размола, равен 0.38, т.е.
38% агломератов разрушились при размоле. Объем каналов между «первичными
частицами» в агрегатах практически не изменился, агрегаты не разрушились.
В результате прессования немолотого и молотого ксерогелей, промытых во-
дой, в пористых объектах объемы поровых каналов между агрегатами в агло-
мератах уменьшились до 0.048 и 0.068 cm3 соответственно. Критерий разруше-
ния агломератов при прессовании Kp, введенный нами в работе [1], равен 0.82 и
0.74 соответственно, т.е. 82 и 74% агломератов разрушились при прессовании.
«Несвязанные» агрегаты из разрушенных агломератов при прессовании были
приведены в контакт и образовали между собой поровые каналы. Объем поро-
вых каналов между «первичными частицами» уменьшился до 0.014 cm3 (см.
Физика и техника высоких давлений 2009, том 19, № 3
104
рис. 2,а). Так же, как и для агломератов, введем критерий степени разрушения
агрегатов, который равен для пористого объекта из немолотого (или молото-
го) ксерогеля Kp = (0.025 cm3 – 0.014 cm3)/0.025 cm3 = 0.44 и (0.025 cm3 –
– 0.012 cm3)/0.025 cm3 = 0.52 соответственно. В пористом объекте из немо-
лотого ксерогеля разрушилось 44% агрегатов, а из молотого – 52%. «Несвя-
занные» «первичные частицы», полученные при разрушении агрегатов, об-
разовали между собой поровые каналы.
Объем агломератов немолотого ксерогеля, промытого спиртом, равен
0.88 cm3 – 0.22 cm3 = 0.66 cm3 и составляет (0.66 cm3/0.88 cm3) × 100% =
= 75% от суммарного объема. Это соответствует укладке гранул двух суще-
ственно отличающихся диаметров, т.е. 63% объема (0.555 cm3) занимают
агломераты, а 12% (0.106 cm3) − «несвязанные» агрегаты. Плотность агрега-
тов равна 3.05 g/cm3. Массу агломератов найдем как разность массы 1 cm3
ксерогеля и массы «несвязанных» агрегатов, т.е. 3.26 g/cm3 × 0.342 cm3 –
– 3.05 g/cm3 × 0.106 cm3 = 0.792 g. Плотность агломератов ксерогеля, про-
мытого спиртом, равна 0.792 g/0.555 cm3 = 1.43 g/cm3, что значительно
меньше, чем у ксерогеля, промытого водой. Если бы часть агломератов не
разрушилась в результате промывки спиртом, то они занимали бы дополнитель-
ный объем 0.3225 g : 1.43 g/cm3 : 0.63 = 0.359 cm3. Весь ксерогель занимал
бы объем 0.359 cm3 + 0.88 cm3 = 1.239 cm3, а объем поровых каналов между
агрегатами в агломератах был бы равен 0.295 cm3 × 1.239 cm3 : 0.88 cm3 =
= 0.415 cm3. Таким образом, критерий разрушения агломератов в результате
промывки ксерогеля спиртом составляет (0.415 cm3 – 0.295 cm3)/0.415 cm3 = 0.29.
Промывка спиртом вызвала разрушение 29% агломератов ксерогеля.
Размол ксерогеля, промытого спиртом, привел к разрушению значитель-
ной части агломератов. Критерий степени разрушения Km агломератов при
этом равен (0.415 cm3 – 0.056 cm3)/0.415 cm3 = 0.865, т.е. 86.5% агломератов
разрушились за счет промывки спиртом и размола. Только за счет размола
разрушилось 86.5% – 29% = 57.5% агломератов. «Несвязанные» агрегаты из
разрушенных агломератов находятся между фрагментами агломератов. Раз-
мол привел к уменьшению до 0.010 cm3 объема пор между «первичными
частицами» в агрегатах (см. рис. 2,б, КМ). Критерий степени разрушения
агрегатов составляет 0.58, т.е. разрушилось 58% агрегатов.
В результате прессования критерий степени разрушения агломератов по-
высился до 0.88 (т.е. при прессовании разрушились еще 1.5% агломератов),
а критерий степени разрушения агрегатов – до 0.625 (разрушилось еще 4.5%
агрегатов). Между «несвязанными» агрегатами, составлявшими разрушен-
ные агломераты, образовались поровые каналы (рис. 2,б, ОМ). Но при прес-
совании не изменился объем поровых каналов между «первичными части-
цами». Стадию удаления воды из поровых каналов между «несвязанными»
«первичными частицами» нам зафиксировать не удалось, по-видимому, по
причине их малых диаметров (менее 5–10 nm).
Физика и техника высоких давлений 2009, том 19, № 3
105
Разрушение части агломератов и агрегатов в ксерогелях, промытых водой
(рис. 3,а) или спиртом (рис. 3,б), в результате размола подтверждается
уменьшением скоростей испарения воды из поровых каналов между агрега-
тами в агломератах и между «первичными частицами» в агрегатах. У спрес-
сованных пористых объектов из немолотого и молотого ксерогелей, промы-
тых водой (рис. 3,а) или спиртом (рис. 3,б), еще значительнее уменьшаются
скорости испарения из соответствующих поровых каналов. Это подтвержда-
ет разрушение преобладающей части агломератов и большой части агрега-
тов в результате прессования.
Данные по нормированным продолжительностям стадий испарения воды
из поровых каналов (таблица) и результаты электронной микроскопии сви-
детельствуют о том, что диаметры поровых каналов между агломератами у
немолотых и молотых ксерогелей, промытых водой или спиртом, близки. А
вот ксерогель, промытый спиртом, имеет поровые каналы между агрегатами
в агломератах и между «первичными частицами» в агрегатах существенно
меньших размеров, чем ксерогель, промытый водой. Причем у ксерогеля,
промытого спиртом, диаметры этих каналов в результате размола уменьша-
ются.
В результате прессования ксерогелей, промытых водой, получены порис-
тые объекты с поровыми каналами между агрегатами во фрагментах уце-
левших агломератов диаметром, равным 70–90 nm, а в пористом объекте из
ксерогеля, промытого спиртом, − практически вдвое меньшего диаметра –
35–55 nm. Поровые каналы между «несвязанными» агрегатами, между «пер-
вичными частицами» в агрегатах и между «несвязанными» «первичными
частицами» в пористых объектах, полученных из промытых водой или
спиртом ксерогелей, с точностью измерений совпадают, и по оценкам име-
ют диаметры, равные 30–40 nm, 10–15 nm и 5–8 nm соответственно.
Известно, что полученные методом соосаждения порошки оксида цирко-
ния, стабилизированного оксидом иттрия, имеют три уровня организации:
первичная частица → агрегат → агломерат [12]. В результате размола [10]
агломераты разрушаются на фрагменты, а агрегаты и «первичные частицы» −
значительно в меньшей степени. При прессовании порошков при относи-
тельно небольшом давлении агломераты начинают разрушаться на фрагмен-
ты [11]. Большее давление приводит к их полному разрушению. Агломераты
могут не только разрушаться, но и деформироваться [7]. При промывке
спиртом нейтрализуются водородные связи на поверхности гидроокиси, но
это не исключает взаимодействие частиц порошка друг с другом [4]. Так по-
лучают более «мягкие» порошки. Авторы [2] исследовали агломераты под
нагружением и показали, что до деформации 7–8% агломераты упруго де-
формируются, при 8–10% − разрушаются, а при 10–80% проходят деформа-
ция и разрушение фрагментов агломератов. Идеализированное рассмотрение
прессования агломерированных порошков при комнатной температуре по-
зволяет выделить три стадии: I − перегруппировка и проскальзывание агло-
Физика и техника высоких давлений 2009, том 19, № 3
106
мератов, II − разрушение агломератов и III − перегруппировка агрегатов
[14]. Хотя многие авторы исследовали структурную организацию ксерогелей
[8,9,13,15], но только в работе [13] было показано, что обжатие ксерогелей
высоким гидростатическим давлением приводит к постепенному переходу к
одноуровневой системе. Наши результаты позволяют описать структурную
организацию спрессованного из ксерогеля пористого объекта более инфор-
мативно − определить долю разрушенных агломератов и агрегатов и оце-
нить эффективные диаметры всех групп поровых каналов.
Авторы [6] привели результаты по объемам поровых каналов пористых
объектов из порошков оксида циркония, определенные методом ртутной по-
рометрии. Однако дать количественную оценку эволюции структурной ор-
ганизации пористого объекта, полученного прессованием, они не смогли,
так как не имели данных по структурной организации исходного порошка.
Авторы [5] качественно, но не количественно показали, что при прессовании
порошков оксида циркония происходят структурные изменения: перегруп-
пировка агломератов, разрушение их части и заполнение пустот между аг-
ломератами их фрагментами. Полученные нами данные указывают на то,
что кроме вышеназванных стадий можно еще выделить, как минимум, две:
1) разрушение агрегатов и 2) разрушение «первичных частиц».
При прессовании разрушается большая часть агрегатов и практически все
агломераты, остается только часть их фрагментов. Ксерогель переходит в
сложную 3-фракционную систему, состоящую из: 1) фрагментов агломера-
тов, 2) «несвязанных» агрегатов, 3) «несвязанных» «первичных частиц».
Проведем сравнение степени разрушения структурных элементов порош-
ка стабилизированного оксида циркония [1] и ксерогеля гидроокисей цирко-
ния и иттрия. Если при размоле порошка оксида циркония разрушилось
29%, то у ксерогеля гидроокисей, промытого водой, − 38%, а ксерогеля гид-
роокисей, промытого спиртом, − 57.5% агломератов. Если при этом агрегаты
порошка оксида циркония и ксерогеля, промытого водой, не претерпели из-
менений, то в ксерогеле, промытом спиртом, разрушилось 58% агрегатов.
Если при размоле и прессовании порошка оксида циркония разрушилось
75% агломератов, то у ксерогеля, промытого водой, – 82% агломератов, а у
ксерогеля, промытого спиртом, – 88%. Но при этом все агрегаты в порошке
оксида циркония остались целыми, а в ксерогеле гидроокисей, промытом
водой, разрушилось 52%, а у промытого спиртом, − 62.5% агрегатов. Таким
образом, порошок оксида циркония является относительно «жестким», а
ксерогель гидроокисей циркония и иттрия – «мягким» порошком.
Выводы
Исследования показали, что ксерогель гидроокисей циркония и иттрия,
промытый дистиллированной водой, имеет три уровня структурной органи-
зации: агломераты, агрегаты и «первичные частицы». Эллипсоидальные аг-
ломераты с размерами 0.5–1 μm состоят из неправильной формы агрегатов с
Физика и техника высоких давлений 2009, том 19, № 3
107
размерами 200–300 nm. «Первичные частицы» имеют размеры не более 75 nm.
Размол приводит к разрушению на фрагменты 38% агломератов ксерогеля.
Как агломераты, так и их фрагменты состоят из агрегатов, которые не пре-
терпели изменений.
При прессовании разрушились на фрагменты еще 36–44% агломератов.
Существенная часть (52%) агрегатов разрушилась на «первичные частицы»,
из которых они состояли. В пористом объекте отсутствуют большие поро-
вые каналы между агломератами. Между агрегатами во фрагментах агломе-
ратов остались поровые каналы диаметром 70–80 nm. В результате разруше-
ния значительной части агломератов и существенной части агрегатов обра-
зовались поровые каналы между «несвязанными» агрегатами, «первичными
частицами» и «несвязанными» «первичными частицами» диаметрами 30–40,
15–25 и 10–15 nm соответственно. Фрагменты агломератов занимают 20–
25% объема пористого объекта, «несвязанные» агрегаты − 50–60%, а «несвя-
занные» «первичные частицы» и их фрагменты − 7–16%.
Ксерогель гидроокисей циркония и иттрия, промытый спиртом, также
имеет три уровня структурной организации. Агломераты имеют такие же
размеры, как и в случае ксерогеля, промытого водой, а агрегаты и «первич-
ные частицы» − несколько меньшие: 120–150 nm и 15–30 nm соответствен-
но. В результате промывки спиртом прочность агрегатов и агломератов зна-
чительно снизилась, что привело к разрушению 29% агломератов уже в про-
цессе испарения спирта из ксерогеля. При этом ксерогель представлял собой
совокупность агломератов и расположенных между ними «несвязанных»
агрегатов. При размоле разрушились еще 55.7% агломератов и 58% агрега-
тов.
При прессовании разрушилась небольшая часть агломератов (еще 1.6%) и
агрегатов (еще 4.5%). В пористом объекте также отсутствуют большие по-
ровые каналы между агломератами. Поровые каналы между агрегатами во
фрагментах агломератов с диаметром 40–50 nm остались от исходного со-
стояния ксерогеля. Сформировались поровые каналы между «несвязанны-
ми» агрегатами с диаметром 25–35 nm, появившимися в результате разру-
шения агломератов. Поровые каналы между «первичными частицами» в аг-
регатах диаметром 15–25 nm остались в уцелевших агрегатах. При этом
фрагменты агломератов занимают 10–14% объема пористого объекта, «не-
связанные» агрегаты − 62–67%, а «несвязанные» «первичные частицы» −
10–15%.
Исследования показали, что ксерогель гидроокисей циркония и иттрия
является хорошим модельным материалом для изучения эволюции морфо-
логии порошков при размоле и прессовании. При этом экспериментально
обнаружены еще две стадии при прессовании порошков: разрушение агрега-
тов и разрушение «первичных частиц».
Физика и техника высоких давлений 2009, том 19, № 3
108
1. С.В. Габелков, Р.В. Тарасов, Н.С. Полтавцев, М.П. Старолат, Н.Ф. Андриев-
ская, ФТВД 18, № 2, 98 (2008).
2. J. Binner, B. Vaidhyanathan, J. Europ. Cer. Soc. 28, 1329 (2008).
3. С.В. Габелков, Р.В. Тарасов, Н.С. Полтавцев, М.П. Старолат, Н.Ф. Андриев-
ская, А.Г. Миронова, Е.Г. Ледовская, Л.М. Литвиненко, М.А. Одейчук, Ф.В. Бел-
кин, Functional Materials № 2, 187 (2007).
4. S. Wang, Y. Zhai, X. Li, K. Wang, J. Amer. Cer. Soc. 89, 3577 (2006).
5. Е.В. Дудник, А.В. Шевченко, А.К. Рубан, З.А. Зайцева, В.М. Верещака, В.П.
Редько, А.А. Чеховский, Порошковая металлургия № 7/8, 45 (2007).
6. А.В. Галахов, И.В. Вязов, В.Я. Шевченко, Огнеупоры и техническая керамика
№ 9, 12 (1989).
7. M. Taha, J. Paletto, Y. Jorand, G. Fantozzi, A. Samdi, M. Jebrouni, B. Durand,
J. Europ. Cer. Soc. 15, 759 (1995).
8. К.В. Кравчик, Ю.П. Гомза, О.В. Пашкова, А.Г. Белоус, С.Д. Несин, Неорган. ма-
териалы 43, 307 (2007).
9. Т.Е. Константинова, О.А. Горбань, А.С. Дорошкевич, В.В. Токий, И.А. Данилен-
ко, В.А. Глазунова, Г.К. Волкова, Межд. конф. «Современное материаловедение:
достижения и проблемы. ММS-2005», 26 фев.–1 мар. 2005 г., Киев, Украина,
т. II, с. 667.
10. R. Ge, Z. Liu, H. Chen, D. Zhang, T. Zhao, Ceram. Inter. 22, 123 (1996).
11. J.L. Shi, Z.X. Lin, W.J. Qian, T.S. Yen, J. Europ. Ceram. Soc. 13, 265 (1994).
12. C.D. Sagel-Ransijn, A.J.A. Winnubst, B. Kerkwijk, A.K. Burggraaf, H. Verweij,
J. Europ. Ceram. Soc. 17, 831 (1997).
13. Т.Е. Константинова, Межд. конф. «Наноразмерные системы. Строение–свой-
ства–технологии. НАНСИС 2007», 21–23 ноября 2007 г., Киев, Украина, с. 14.
14. J.M. Heintz, F. Weill, J.C. Bernier, Mat. Sci. Eng. 109, 271 (1989).
15. С.А. Синякина, Ю.О. Кулик, И.А. Даниленко, О.А. Горбань, Т.Е. Константино-
ва, Межд. конф. «Мезоскопические явления в твердых телах», 26 фев.–1 мар.
2007 г., Донецк, Украина, с. 53.
16. С.В. Габелков, В.В. Макаренко, А.Г. Миронова, М.П. Старолат, Р.В. Тарасов,
А.Г. Шепелев, Огнеупоры и техническая керамика № 12, 41 (2006).
17. А.Г. Косторнов, Материаловедение дисперсных и пористых материалов, Т. 2,
Наукова думка, Киев (2002).
18. R.K. Mc Geary, J. Am. Cer. Soc. 44, 513 (1961).
С.В. Габєлков, Р.В. Тарасов, А.Г. Миронова, М.П. Старолат, Н.Ф. Андрієвська
ЕВОЛЮЦІЯ СТРУКТУРНОЇ ОРГАНIЗАЦІЇ НАНОРОЗМІРНОГО
КСЕРОГЕЛЮ ГІДРООКИСУ ЦИРКОНІЮ ПРИ РОЗМЕЛЮВАННI
ТА ПРЕСУВАННІ
Досліджено еволюцію структурної організації нанорозмірного ксерогелю
гідроокисів цирконію й ітрію при розмелюванні та пресуванні з використанням
просвічуючої електронної мікроскопії й методики визначення об’єму порових
каналів по видаленню води при її випаровуванні. Виявлено, що у ксерогелі,
промитому дистильованою водою, розмелювання призводить до руйнування на
Физика и техника высоких давлений 2009, том 19, № 3
109
фрагменти 38% агломератів, а пресування – ще 44% агломератів і 52% агрегатів. У
результаті промивання ксерогелю спиртом диструктурувалося 29% агломератів.
При розмелюванні зруйнувалися ще 55.7% агломератів і 58% агрегатів, а при
пресуванні – ще 1.6% агломератів і 4.5% агрегатів. Встановлено, що у спресованих
пористих об'єктах відсутні порові канали між агломератами, а найбільший діаметр
мають канали між агрегатами у фрагментах агломератів. Експериментально
виявлено ще дві стадії при пресуванні порошків: руйнування агрегатів і руйнування
«первинних часток».
Ключові слова: агломерат, агрегат, гідроокис цирконію, нанорозмірний ксерогель,
порові канали, «первинні частки», пресування, розмел, спресований пористий
об'єкт, структурна організація
S.V. Gabelkov, R.V. Tarasov, A.G. Mironova, M.P. Starolat, N.F. Andrievskaya
EVOLUTION OF STRUCTURAL ORGANIZATION OF ZIRCONIUM
HYDROXIDE NANOSIZE XEROGEL AT MILLING AND PRESSING
Evolution of the structural organisation of zirconium and yttrium hydroxide nanosize xe-
rogel at milling and pressing using transmission microscopy and method of determination
of pore channels volume on water removal at its evaporation has been investigated. Mill-
ing of xerogel, washed out by the distilled water, leads to destruction of 38% of agglom-
erates into fragments, and pressing – 44% more of agglomerates and 52% of aggregates.
As a result of washing xerogel by alcohol, 29% of agglomerates were broken. At milling
55.7% more of agglomerates and 58% of aggregates have collapsed, and at pressing –
another 1.6% of agglomerates and 4.5% of aggregates. It has been determined that in
pressed porous objects there are no pore channels between agglomerates, and channels
between aggregates in fragments of agglomerates have the greatest diameter. Two more
stages have been found experimentally at powder pressing: destruction of aggregates and
destruction of «primary particles».
Keywords: agglomerate, aggregate, zirconium hydroxide, nanosize xerogel, pore chan-
nels, «primary particles», pressing, milling, pressed porous object, structural organisation
Fig. 1. Dependence of mass of system «porous object from xerogel of zirconium and yt-
trium hydroxide–water» (xerogel is washed out by alcohol) on time of drying at tem-
perature 35 ± 5°С: m0 – initial mass of system; (m0 – m1), (m1 – m2) and (m2 – m3) – the
differences of masses numerically equal to volumes of pore channels between aggregates
in fragments of agglomerates, between «free» aggregates and between «primary parti-
cles» in aggregates; I, II, III and IV – 1-, 2-, 3- and 4-th stages accordingly
Fig. 2. Volumes of pore channels in nanosize xerogels and in porous objects made of
them: а – washing out of xerogel by water, б – by alcohol. Solid-phase volume is con-
stant and equals 0.342 сm3 (in figure it is not given). КN and KM – xerogel not milled
and milled; ON and the OM – pressed porous object from not milled and milled xerogel
accordingly; I – channels between fragments of «primary particles», II – channels be-
tween «primary particles» in aggregates, III – channels between «free» aggregates, IV –
channels between aggregates in agglomerates and their fragments, V – channels between
agglomerates, VI – all channels, VII – total volume (volumes of a solid phase and all pore
channels)
Физика и техника высоких давлений 2009, том 19, № 3
110
Fig. 3. Rate of water evaporation from pore channels in not milled and milled nanosize
xerogels of zirconium and yttrium hydroxides, washed out by water (а) and alcohol (б),
and in porous objects pressed from them. The designation is the same as in Fig. 2
Fig. 4. Transmission microscopy of zirconium and yttrium hydroxide xerogels: а, в – ag-
glomerates; б – aggregates near the agglomerate; г – aggregates. Xerogel washing by dis-
tilled water – а, б; by alcohol – в, г
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-69218 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0868-5924 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-01T12:51:39Z |
| publishDate | 2009 |
| publisher | Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Габелков, С.В. Тарасов, Р.В. Миронова, А.Г. Старолат, М.П. Андриевская, Н.Ф. 2014-10-07T20:16:31Z 2014-10-07T20:16:31Z 2009 Эволюция структурной организации наноразмерного ксерогеля гидроокиси циркония при размоле и прессовании / С.В. Габелков, Р.В. Тарасов, А.Г. Миронова, М.П. Старолат, Н.Ф. Андриевская // Физика и техника высоких давлений. — 2009. — Т. 19, № 3. — С. 94-110. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. 0868-5924 PACS: 61.43.Hv, 61.43.Gt, 61.46.Df https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/69218 Исследована эволюция структурной организации наноразмерного ксерогеля гидроокисей циркония и иттрия при размоле и прессовании с использованием просвечивающей электронной микроскопии и методики определения объема поровых каналов по удалению воды при ее испарении. Обнаружено, что у ксерогеля, промытого дистиллированной водой, размол приводит к разрушению на фрагменты 38% агломератов, а прессование – еще 44% агломератов и 52% агрегатов. В результате промывки ксерогеля спиртом деструктировалось 29% агломератов. При размоле разрушились еще 55.7% агломератов и 58% агрегатов, а при прессовании – еще 1.6% агломератов и 4.5% агрегатов. Установлено, что в пористых объектах отсутствуют поровые каналы между агломератами, а наибольший диаметр имеют каналы между агрегатами во фрагментах агломератов. Экспериментально обнаружены еще две стадии при прессовании порошков: разрушение агрегатов и разрушение «первичных частиц». Досліджено еволюцію структурної організації нанорозмірного ксерогелю гідроокисів цирконію й ітрію при розмелюванні та пресуванні з використанням просвічуючої електронної мікроскопії й методики визначення об’єму порових каналів по видаленню води при її випаровуванні. Виявлено, що у ксерогелі, промитому дистильованою водою, розмелювання призводить до руйнування на фрагменти 38% агломератів, а пресування – ще 44% агломератів і 52% агрегатів. У результаті промивання ксерогелю спиртом диструктурувалося 29% агломератів. При розмелюванні зруйнувалися ще 55.7% агломератів і 58% агрегатів, а при пресуванні – ще 1.6% агломератів і 4.5% агрегатів. Встановлено, що у спресованих пористих об'єктах відсутні порові канали між агломератами, а найбільший діаметр мають канали між агрегатами у фрагментах агломератів. Експериментально виявлено ще дві стадії при пресуванні порошків: руйнування агрегатів і руйнування «первинних часток». Evolution of the structural organisation of zirconium and yttrium hydroxide nanosize xerogel at milling and pressing using transmission microscopy and method of determination of pore channels volume on water removal at its evaporation has been investigated. Milling of xerogel, washed out by the distilled water, leads to destruction of 38% of agglomerates into fragments, and pressing – 44% more of agglomerates and 52% of aggregates. As a result of washing xerogel by alcohol, 29% of agglomerates were broken. At milling 55.7% more of agglomerates and 58% of aggregates have collapsed, and at pressing – another 1.6% of agglomerates and 4.5% of aggregates. It has been determined that in pressed porous objects there are no pore channels between agglomerates, and channels between aggregates in fragments of agglomerates have the greatest diameter. Two more stages have been found experimentally at powder pressing: destruction of aggregates and destruction of «primary particles». ru Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України Физика и техника высоких давлений Эволюция структурной организации наноразмерного ксерогеля гидроокиси циркония при размоле и прессовании Еволюція структурної органiзації нанорозмірного ксерогелю гідроокису цирконію при розмелюваннi та пресуванні Evolution of structural organization of zirconium hydroxide nanosize xerogel at milling and pressing Article published earlier |
| spellingShingle | Эволюция структурной организации наноразмерного ксерогеля гидроокиси циркония при размоле и прессовании Габелков, С.В. Тарасов, Р.В. Миронова, А.Г. Старолат, М.П. Андриевская, Н.Ф. |
| title | Эволюция структурной организации наноразмерного ксерогеля гидроокиси циркония при размоле и прессовании |
| title_alt | Еволюція структурної органiзації нанорозмірного ксерогелю гідроокису цирконію при розмелюваннi та пресуванні Evolution of structural organization of zirconium hydroxide nanosize xerogel at milling and pressing |
| title_full | Эволюция структурной организации наноразмерного ксерогеля гидроокиси циркония при размоле и прессовании |
| title_fullStr | Эволюция структурной организации наноразмерного ксерогеля гидроокиси циркония при размоле и прессовании |
| title_full_unstemmed | Эволюция структурной организации наноразмерного ксерогеля гидроокиси циркония при размоле и прессовании |
| title_short | Эволюция структурной организации наноразмерного ксерогеля гидроокиси циркония при размоле и прессовании |
| title_sort | эволюция структурной организации наноразмерного ксерогеля гидроокиси циркония при размоле и прессовании |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/69218 |
| work_keys_str_mv | AT gabelkovsv évolûciâstrukturnoiorganizaciinanorazmernogokserogelâgidrookisicirkoniâprirazmoleipressovanii AT tarasovrv évolûciâstrukturnoiorganizaciinanorazmernogokserogelâgidrookisicirkoniâprirazmoleipressovanii AT mironovaag évolûciâstrukturnoiorganizaciinanorazmernogokserogelâgidrookisicirkoniâprirazmoleipressovanii AT starolatmp évolûciâstrukturnoiorganizaciinanorazmernogokserogelâgidrookisicirkoniâprirazmoleipressovanii AT andrievskaânf évolûciâstrukturnoiorganizaciinanorazmernogokserogelâgidrookisicirkoniâprirazmoleipressovanii AT gabelkovsv evolûcíâstrukturnoíorganizacíínanorozmírnogokserogelûgídrookisucirkoníûprirozmelûvannitapresuvanní AT tarasovrv evolûcíâstrukturnoíorganizacíínanorozmírnogokserogelûgídrookisucirkoníûprirozmelûvannitapresuvanní AT mironovaag evolûcíâstrukturnoíorganizacíínanorozmírnogokserogelûgídrookisucirkoníûprirozmelûvannitapresuvanní AT starolatmp evolûcíâstrukturnoíorganizacíínanorozmírnogokserogelûgídrookisucirkoníûprirozmelûvannitapresuvanní AT andrievskaânf evolûcíâstrukturnoíorganizacíínanorozmírnogokserogelûgídrookisucirkoníûprirozmelûvannitapresuvanní AT gabelkovsv evolutionofstructuralorganizationofzirconiumhydroxidenanosizexerogelatmillingandpressing AT tarasovrv evolutionofstructuralorganizationofzirconiumhydroxidenanosizexerogelatmillingandpressing AT mironovaag evolutionofstructuralorganizationofzirconiumhydroxidenanosizexerogelatmillingandpressing AT starolatmp evolutionofstructuralorganizationofzirconiumhydroxidenanosizexerogelatmillingandpressing AT andrievskaânf evolutionofstructuralorganizationofzirconiumhydroxidenanosizexerogelatmillingandpressing |