Фундаментальные проблемы современного материаловедения,  2022,  том 19,  №1, 41-49

 

Людмила Иосифовна Квеглис1, Александр Викторович Павлов2, Алексей Владимирович Джес3

Исследование влияния наноразмерных частиц TiO2 на физико-механические свойства, структуру и фазовый состав (ВеО + TiO2)-керамики

1 Сибирский федеральный университет, пр. Свободный, 79, 660041, Красноярск, Россия
2 Восточно-Казахстанский университет им. С. Аманжолова, ул. 30-ой Гвардейской дивизии, 34, 070002, Усть-Каменогорск, Республика Казахстан
3 Восточно-Казахстанский технический университет им. Д. Серикбаева, ул. Протозанова, 69, 070004, Усть-Каменогорск, Республика Казахстан
1 Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript , https://orcid.org/0000-0002-6850-354X
2 Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript , https://orcid.org/0000-0002-3514-9476
3 Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript , https://orcid.org/0000-0002-8172-8073

В настоящем исследовании представлены результаты влияния количества нано размерных частиц TiO2 (0,1-2,0 мас.%) и температуры обжига на физико-механические свойства, структуру и фазовый состав оксидно-бериллиевой керамики состава (ВеО + TiO2) изготовленной из порошков микронного размера. Показано, что присутствие наночастиц TiO2 способствует увеличению плотности спеченной керамики. Данный эффект достигается вследствие взаимопроникновения фаз ВеО – TiO2 и увеличения дефектности структуры. Понижение энергии активации процессов обмена мест в зоне границы зерен может быть объяснено связью между диффузией и дефектами строения решетки. Диффузия вдоль границы зерен происходит быстрее, чем в ненарушенной. Присутствие наночастиц также способствует самозалечиванию микропор, что может быть объяснено блокированием наночастицами определенной доли границ раздела между частицами ВеО и созданием диффузионного барьера. Инжекция вакансий внутрь кристалла, повышает свободную энергию системы, делает термодинамически невыгодным его рост, в определенном интервале размеров. Как показано в настоящем исследовании, повышение температуры спекания керамики, способствует трансформации кристаллической структуры TiO2 в более проводящую Ti3O5 с орторомбической структурой. Возникновение электропроводящей фазы, как правило, сопровождается поглощением электромагнитного излучения. Синтезированная керамика актуальна для нужд радио-электронной промышленности: электровакуумные приборы СВЧ – ЭВП, усилители, лампы бегущей и обратной волны, клистроны, клистроды, гироприборы; твердотельные приборы СВЧ; модули СВЧ; комплексированные изделия СВЧ с применением в своем составе ЭВП СВЧ, твердотельных дискретных приборов и модулей СВЧ.

Ключевые слова: наночастицы TiO2, оксид бериллия, диоксид титана, рутил, керамика, физико-механические свойства, кристалл, микроструктура, спекание, кристаллическое строение, фазовый состав.

УДК 661.845:666.3

DOI: 10.25712/ASTU.1811-1416.2022.01.005


 

Fundamental’nye problemy sovremennogo materialovedenia

(Basic Problems of Material Science (BPMS)) Vol. 19, No.1 (2022) 41-49

 

Lyudmila I. Kveglis1, Alexander V. Pavlov2, Alexey V. Jess3

Study of the effect of TiO2 nanoadditives on the physical and mechanical properties, structure and phase composition of (BeO + TiO2)–ceramics

1 Siberian Federal University, Svobodny Pr., 79, Krasnoyarsk, 660041, Russia
2 East Kazakhstan University named after S. Amanzholov, 30th Guards division Str., 34, Ust-Kamenogorsk, 070002, Republic of Kazakhstan
3 East Kazakhstan Technical University named after D. Serikbayev, Protozanova Str., 69, Ust-Kamenogorsk, 070004, Republic of Kazakhstan
1 Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript https://orcid.org/0000-0002-6850-354X
2 Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript , https://orcid.org/0000-0002-3514-9476
3 Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript , https://orcid.org/0000-0002-8172-8073

This study presents the results of the influence of the number of TiO2 nanosized particles (0.1-2.0 wt.%) and the firing temperature on the physical and mechanical properties, structure and phase composition of beryllium oxide ceramics of the composition (BeO + TiO2) made from powders of micron size. It is shown that the presence of TiO2 nanoparticles promotes an increase in the density of sintered ceramics. This effect is achieved due to the interpenetration of the BeO – TiO2 phases and an increase in the defectiveness of the structure. The decrease in the activation energy of place exchange processes in the grain boundary zone can be explained by the relationship between diffusion and defects in the lattice structure. Diffusion along the grain boundary occurs faster than in an undisturbed lattice. The presence of nanoparticles also promotes self-healing of micropores, which can be explained by the blocking of a certain fraction of the interfaces between BeO particles by nanoparticles and the creation of a diffusion barrier. Injection of vacancies into the crystal, increases the free energy of the system, makes its growth thermodynamically unfavorable, in a certain range of sizes. As shown in this study, an increase in the sintering temperature of ceramics promotes the transformation of the crystalline structure of TiO2 into a more conductive Ti3O5 with an orthorhombic structure. The onset of an electrically conductive phase is usually accompanied by the absorption of electromagnetic radiation. The synthesized ceramics are relevant for the needs of the radio-electronic industry: microwave electric vacuum devices - EEC, amplifiers, traveling and backward wave tubes, klystrons, klystrodes, gyro devices; solid state microwave devices; microwave modules; integrated microwave products with the use of microwave electronic devices, solid-state discrete devices and microwave modules.

Keywords: TiO2 nanoparticles, beryllium oxide, titanium dioxide, rutile, ceramics, physical and mechanical properties, crystal, microstructure, sintering, crystal structure, phase composition.