Исследование структуры нанопористых керамических материалов на основе иттрия

Пористые керамические материалы с высокой производительностью фильтрования широко применяют в условиях интенсивных химических, термических и радиационных нагрузок. В работе представлены результаты исследования структуры и морфологии порового пространства керамических мембран. В качестве основного компонента-заполнителя использовали ультрадисперсный тугоплавкий порошок Y₂O₃. Синтез осуществляли методами компактирования, технологического горения и самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Применение ультрадисперсных спекающих добавок с высокоразвитой поверхностью (MgO — 5 мкм, SiC — 3, SiO₂ — 5 мкм) позволило обеспечить энергоэффективность синтеза высокопористых керамических материалов при низких температурах. Анализ структуры и порового пространства методом ртутной порометрии и альтернативными методами показал, что средний размер пор в синтезированном 3D матричном композиционном материале на основе матрицы из ортосиликата иттрия с наполнителем из оксида иттрия составляет 1,1 мкм, эквивалентный гидравлический диаметр пор — около 100 нм. Разница определяется вариативностью сечений и высокой извилистостью поровых каналов. Поскольку плотность материала составляет 2,3 г/см³, а прочность на сжатие — около 2 МПа, материал может легко подвергаться механической обработке твердосплавными инструментами и перспективен для создания изделий сложной формы. Полученные результаты могут быть использованы при разработке энергоэффективной технологии одностадийного производства фильтров на основе оксида иттрия с высокой пористостью для применения в условиях воздействия радиационного излучения, агрессивных сред и высоких температур.

1. Артюшин В. Р., Волокитин Г. Г., Лысак Г. В. и др. Система очистки сточных вод с использованием полипропиленового тонковолокнистого материала / Вестник ТГАСУ. 2011. Т. 1. ¹ 30. С. 170 – 177.

2. Weston M. H., Peterson G. W., Browe M. A., et al. Removal of airborne toxic chemicals by porous organic polymers containing metal-catecholates / Chem. Commun. 2013. Vol. 29. P. 2995 – 2997. DOI: 10.1039/c3cc40475g

3. Chmielewski A., Harasimowicz M., Zakrzewska-Trznadel G. Membrane technologies for liquid radioactive waste treatment / Czech. J. Phys. 1999. Vol. 49. N 1. P. 979 – 985. DOI: 10.1007/s10582-999-1027-y

4. Сирота В. В., Груздева Е. В., Иванисенко В. В. Влияние давления прессования на структуру и механические свойства керамики ZrO2 — 8 % Y2O3B / Научные ведомости БелГУ. 2012. Т. 11. № 130. С. 127 – 133.

5. Астапова Е. С., Костюков Н. С. Влияние реакторного облучения на α-Al2O3 в электроизоляционной керамике / Атомная энергия. 1995. Т. 78. С. 336 – 338.

6. Забавичев И. Ю., Потехин А. А., Пузанов А. С. и др. Моделирование образования каскада смещений и переходных ионизационных процессов в кремниевых полупроводниковых структурах при нейтронном воздействии / Физика и техника полупроводников. 2019. Т. 53. № 9. С. 1279 – 1284. DOI: 10.21883/FTP.2019.09.48139.23

7. Балкевич В. Л. Техническая керамика. — М.: Стройиздат, 1984. — 256 с.

8. Uvarov V. I., Kapustin R. D., Kirillov A. O., et al. Influence of structural-dimensional factor and catalytically active additives of Fe2O3/Cr2O3 in α-Al2O3-based membranes on hydrocarbon dehydrogenation / J. As. Ceram. Soc. 2021. Vol. 9. N 3. P. 806 – 814. DOI: 10.1080/21870764.2021.1920133

9. Borovinskaya I., Merzhanov A., Uvarov V. Capillary-porous SHS materials for filtration of liquids and gases / Science-production. 2001. Vol. 10. P. 28 – 32.

10. Levashov E. A., Mukasyan A. S., Rogachev A. S., et al. Self-propagating high-temperature synthesis of advanced materials and coatings / Int. Mater. Rev. 2017. Vol. 62. P. 203 – 239. DOI: 10.1080/09506608.2016.1243291

11. Карпюк П. В., Кузнецова Д. Е., Богатов К. Б., Досовицкий Г. А. Определение гранулометрического состава порошков алюмоиттриевого граната методом лазерной дифракции / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2017. Т. 83. № 9. С. 35 – 40.

12. Бакунов В. С., Балкевич В. Л., Гузман И. Я., Лукин Е. С. Практикум по технологии керамики и огнеупоров. — М.: Стройиздат, 1972. — 352 с.

13. Гузман И. Я. Химическая технология керамики: учеб. пособие для вузов. — М.: Стройматериалы, 2003. — 496 с.

14. Uvarov V. I., Kapustin R. D., Fedotov A. S., et al. Synthesis of porous ceramic materials for catalytically active membranes by technological combustion and sintering / Glass Ceram. 2020. Vol. 77. P. 221 – 225. DOI: 10.1007/s10717-020-00275-8

15. Uvarov V. I., Kapustin R. D., Kirillov A. O. Nanoporous high-temperature filters based on ceramic SHS materials / Ceram. Int. 2020. Vol. 46. N 14. P. 23180 – 23185. DOI: 10.1016/j.ceramint.2020.06.098

16. Остроушко А. А., Могильников Ю. В. Физико-химические основы получения твердофазных материалов электронной техники: учеб. пособие для вузов. — Екатеринбург: Уральский ун-т, 2011. —- 158 с.

17. Suna Z., Wang J., Li M., et al. Mechanical properties and damage tolerance of Y2SiO5 / J. Eur. Ceram. Soc. 2008. Vol. 28. P. 2895 – 2900. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2008.04.029

18. Wu Z., Sun L., Wang J. Synthesis and characterization of porous Y2SiO5 with low linear shrinkage, high porosity and high strength / Ceram. Int. 2016. Vol. 42. P. 14894 – 14900. DOI: 10.1016/j.ceramint.2012.07.014