Ανάπτυξη σύνθετων νανοδομημένων υλικών κεραμικής μήτρας με βάση την αλούμινα

Abstract

The evolution of ceramics technology is undoubtedly an indicator of the evolution of human civilization in the depths of the centuries, as long as one thinks that two of the greatest discoveries in the history of the human species are involved in the construction of ceramic materials: fire (firing, sintering) and the wheel. With the rapid evolution of materials that characterize the 20th and 21st centuries, it is not possible for ceramic materials, either pure or in the form of composite materials, not to have a dominant role. The main disadvantage for which ceramic materials have not been developed, in virtually all possible applications as fast as metals or polymers, is their brittleness. Nanotechnology comes to offer a solution tothis drawback of ceramic materials. In particular nanostructured materials have opened a new window of approach and perception around the materials, having often shown quite different values of properties (mechanical, electrical, magnetic, optical, electronics) than the classical - known materials where their structure mainly develops on a scale of micrometers.More specifically, in the case of alumina (Al2O3), the phenomenon of grain growth during sintering and densification of the specimen is very intense, which makes extremely difficult to maintain the nano structure of the final ceramic material. A solution to this problem is the addition of a second phase to the matrix of the material in the form of inclusions. The resulting nano-alumina is likely to significantly improve its known good properties after sintering, such as high strength, high hardness, high elastic modulus, high chemical resistance, stability and anti-corrosion properties in extreme chemical environments and temperatures.This is precisely the scientific umbrella of this doctoral dissertation: the preparation of nanocomposite ceramic materials in which the matrix is made of the best known oxide ceramic material, alumina (Al2O3), and the dispersed reinforced phase, in the form of inclusions, is one of the best-known metals of high industrial interest and high melting point, Ni. In order to achieve this goal, besides the reinforcement by the addition of metal inclusions, the stabilization of nanoparticles’ suspensions (composites or not) prepared prior to shaping and sintering was carried out.Thus, totally, the main objective was the development of alumina in nanometer scale, and the homogeneous dispersion of the second phase. By achieving this goal, the final material is expected to have high mechanical strength in terms of hardness, and abrasion resistance at both low and high temperatures. This ceramic should have the ability to suppress crack propagation, both under normal temperature conditions and thermal surges, whereas it will be able to densify under the minimum possible sintering temperature and time.

Η εξέλιξη της τεχνολογίας των κεραμικών υλικών αποτελεί αδιαμφισβήτητα δείκτη της εξέλιξης του ανθρώπινου πολιτισμού στα βάθη των αιώνων, αρκεί κάποιος να σκεφτεί ότι, στην κατασκευή των κεραμικών υλικών εμπλέκονται δύο από τις πιο μεγάλες ανακαλύψεις στην ιστορία του ανθρώπινου είδους, η φωτιά (έψηση, πυροσυσσωμάτωση) και ο τροχός (αγγειοπλαστικός τροχός). Με την ταχεία εξέλιξη των υλικών που χαρακτηρίζει τον 20ο και τον 21ο αιώνα, δεν είναι δυνατόν τα κεραμικά υλικά, είτε αμιγή, είτε σε μορφή σύνθετων υλικών, να μην κατέχουν κυρίαρχο ρόλο. Το βασικότερο μειονέκτημα για το οποίο τα κεραμικά υλικά δεν έχουν αναπτυχθεί, σε όλες σχεδόν τις δυνατές και πιθανές εφαρμογές, τόσο γρήγορα όσο τα μέταλλά ή τα πολυμερή, είναι η ευθραυστότητά τους. Στο μειονέκτημα αυτό των κεραμικών υλικών, έρχεται να δώσει λύση η νανοτεχνολογία και πιο συγκεκριμένα τα νανοδομημένα υλικά, τα οποία άνοιξαν ένα νέο παράθυρο προσέγγισης και αντίληψης γύρω από τα υλικά έχοντας δείξει πολλές φορές εντελώς διαφορετικές τιμές ιδιοτήτων (μηχανικών, ηλεκτρικών, μαγνητικών, οπτικών, ηλεκτρονικών) από ό,τι τα κλασικά - γνωστά υλικά όπου η δομή τους αναπτύσσεται κυρίως σε κλίμακα μικρομέτρων.Επιπλέον, για την περίπτωση της αλούμινας (Al2O3), παρατηρείται το φαινόμενο της έντονης ανάπτυξης των κόκκων κατά την πυροσυσσωμάτωση και πύκνωση του δοκιμίου, πράγμα το οποίο καθιστά εξαιρετικά δύσκολη τη διατήρηση της νανο-δομής του τελικού κεραμικού υλικού. Λύση στο πρόβλημα αυτό έρχεται να δώσει η προσθήκη της δεύτερης φάσης στη μήτρα του υλικού με τη μορφή εγκλεισμάτων – μεταλλικών φάσεων. Η νανο-αλούμινα που θα προκύψει, είναι πολύ πιθανό να παρουσιάζει σημαντικά βελτιωμένες τις γνωστές καλές της ιδιότητες μετά την πυροσυσσωμάτωση, όπως είναι η υψηλή αντοχή, η υψηλή σκληρότητα, το υψηλό μέτρο ελαστικότητας, η υψηλή χημική αντίσταση, η σταθερότητα και οι αντιδιαβρωτικές ιδιότητες σε ακραία χημικά περιβάλλοντα και θερμοκρασίες.Αυτή ακριβώς είναι και η επιστημονική ομπρέλα της παρούσας διδακτορικής διατριβής, δηλαδή η παρασκευή νανοσύνθετων κεραμικών υλικών στα οποία η μήτρα είναι κατασκευασμένη από το πιο γνωστό αδρανές κεραμικό υλικό, την αλούμινα (Al2O3), και η διεσπαρμένη φάση ενίσχυσης, με τη μορφή εγκλεισμάτων, είναι ένα από τα πιο γνωστά μέταλλα με υψηλό βιομηχανικό ενδιαφέρον και υψηλό σημείο τήξης, το Ni. Για την επίτευξη του στόχου αυτού, πέρα από την ενίσχυση μέσω της προσθήκης μεταλλικών εγκλεισμάτων, πραγματοποιήθηκε και η εφαρμογή της σταθεροποίησης των αιωρημάτων των νανο-κόνεων (σύνθετων ή μη) που παρασκευάστηκαν πριν λάβουν χώρα η μορφοποίηση και η πυροσυσσωμάτωση.Έτσι, συνολικά o κύριος στόχος ήταν η ανάπτυξη αλούμινας σε κλίμακα νανομέτρων, τόσο πριν όσο (κυρίως) και μετά την πυροσυσσωμάτωση, αλλά και η ταυτόχρονα καλή διασπορά και ομοιομορφία, ως προς το μέγεθος και τη μορφολογία, της δεύτερης φάσης. Με την επίτευξη του στόχου αυτού, το τελικό υλικό αναμένεται να έχει, υψηλή μηχανική αντοχή σε ότι αφορά στη σκληρότητα, στην αντίσταση σε φθορά-τριβή και στην αντοχή σε κάμψη σε χαμηλές αλλά και υψηλές θερμοκρασίες. Επιπλέον, αναμένεται να έχει την ικανότητα να καταστέλλει, τη διάδοση των ρωγμών, τόσο σε κανονικές θερμοκρασιακές συνθήκες όσο και σε θερμικούς αιφνιδιασμούς, και τέλος να έχει συσσωματωθεί επιτυχώς στον ελάχιστο δυνατό χρόνο πυροσυσσωμάτωσης.Πιο συγκεκριμένα, το Κεφάλαιο 5 περιλαμβάνει την ολοκληρωμένη μελέτη για τη νανο-σκόνη της αλούμινας, η οποία έχει προέλθει μέσω της μεθόδου sol-gel. Πραγματοποιήθηκαν δοκιμές, με σκοπό την εύρεση του σταθερότερου αιωρήματος από το οποίο θα προέκυπτε πυκνό νανο-δομημένο δοκίμιο αλούμινας. Για τον σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκε διασπορέας (Darvan C) σε συνδυασμό με την αιθυλενογλυκόλη (συνδέτης) και εφαρμόστηκαν κατάλληλες συνθήκες υγρής ένσφαιρης λειοτρίβησης. Μετά από πυροσυσσωμάτωση στους 1600 oC, αναπτύχθηκε δοκίμιο με πολύ καλή, ομοιογένεια στη μικροδομή (με μέσο μέγεθος κόκκων 500 nm) και μικρό ποσοστό πορώδους (3 %).Στο Κεφάλαιο 6, αναπτύχθηκε μια καινοτόμος βιομημητική σύνθεση, βασισμένη στη χρήση της υπερδιακλαδισμένης πολυ(αιθυλενιμίνης) (PEI) κατά τη σύνθεση, για την παραγωγή νανο-διασπαρμένου βαιμίτη ο οποίος μετά από κατάλληλη θερμική επεξεργασία έδωσε σφαιρική νανο-αλούμινα (10 nm) απαλλαγμένη από έντονο βαθμό συσσωμάτωσης, με εξαιρετική ομοιογένεια τόσο ως προς το μέγεθος όσο και ως προς τη μορφολογία. Με τη χρήση του παραγόμενου νανο-διασπαρμένου βαιμίτη, σε συνδυασμό με την κατάλληλη επεξεργασία σταθεροποίησης του αιωρήματος αυτού και την επιλογή του βέλτιστου θερμικού κύκλου κατά την πυροσυσσωμάτωση, προέκυψε νανοδομημένο κεραμικό αλούμινας με φαινόμενη πυκνότητα 89 % και μέσο μέγεθος κόκκων 90 nm.Στη συνέχεια, στο Κεφάλαιο 7, λαμβάνοντας υπόψιν τα καλά αποτελέσματα του προηγούμενου κεφαλαίου, έλαβε χώρα η ανάπτυξη μιας νέας βιομιμητικής σύνθεσης σύνθετου αλούμινας νικελίου, και πάλι με τη χρήση της υπερδιακλαδισμένης πολυ(αιθυλενιμίνης) (PEI). Το ποσοστό της δεύτερης φάσης (νικελίου) ήταν περίπου στο 5 % ±1. Η σύνθετη νανο-σκόνη αποτελούνταν από νανο-σωματίδια της τάξης των 5 nm με πολύ μικρό βαθμό συσσωμάτωσης μεταξύ αυτών και καλή ομοιογένεια ως προς το μέγεθος αλλά και τη μορφολογία τους. Η σύνθετη νανο-σκόνη επεξεργάστηκε θερμικά και στη συνέχεια εφαρμόστηκε κατεργασία σταθεροποίησης στο αιώρημά της με τη συνδυαστική προσθήκη Darvan C και αιθυλενογλυκόλης, ενώ εφαρμόστηκαν κατάλληλες συνθήκες υγρής ένσφαιρης λειοτρίβησης. Το βέλτιστο δοκίμιο που προέκυψε από την ως άνω νανο-σκόνη, μετά απόπυροσυσσωμάτωση δύο σταδίων με τη τεχνική Spark plasma Sintering (SPS), παρουσίασε φαινόμενη πυκνότητα της τάξης του 88.5 % και μέσο μέγεθος κόκκων 220 nm.Με σκοπό τη μείωση του κόστους του τελικού υλικού, στο Κεφάλαιο 8, αναπτύχθηκε μια νέα υγρή χημική μέθοδος σύνθεσης παρόμοια με εκείνη του Κεφαλαίου 6 με τη διαφορά ότι αντικαταστάθηκε μέρος του ΡΕΙ με διάλυμα αμμωνίας. Ο μπαγερίτης που προέκυψε, μελετήθηκε πλήρως φυσικοχημικά αλλά και θερμικά. Η φάση της γ-αλούμινας που προέκυψε από τον παραγόμενο μπαγερίτη με μέσο μέγεθος σωματιδίων τα 3 nm και ειδική επιφάνεια 230 m2/g, επιλέχθηκε ως μήτρα για τη σύνθεση του σύνθετου αλούμινας νικελίου που παρουσιάζεται στο επόμενο κεφάλαιο (Κεφάλαιο 9). Η συγκεκριμένη γ-αλούμινα επεξεργάστηκε θερμικά και στη συνέχεια εφαρμόστηκε κατεργασία σταθεροποίησης στο αιώρημά της με τη συνδυαστική προσθήκη Darvan C και αιθυλενογλυκόλης, ενώ εφαρμόστηκαν κατάλληλες συνθήκες υγρής ένσφαιρης λειοτρίβησης. Το βέλτιστο δοκίμιο αυτής, που προέκυψε έπειτα από απλή πυροσυσσωμάτωση στους 1500 oC για 3 h με ρυθμό ανόδου 10 oC/min, παρουσίασε φαινόμενη πυκνότητα 75.5 % και μέσο μέγεθος κόκκων 200 nm. Τέλος, οι δοκιμές φθοράς στο συγκεκριμένο δοκίμιο παρουσίασαν ρυθμό φθοράς k = 4·10-4 g/N·m αναδεικνύοντας με τη σειρά τους ως βέλτιστο το δοκίμιο που προήλθε από το σταθερότερο αιώρημα.Τέλος στο Κεφάλαιο 9, παρουσιάζεται η σύνθετη νανο-σκόνη αλούμινας νικελίου αποτελούμενη από σωματίδια της τάξης των 3 nm. Η δεύτερη φάση παρουσίασε πολύ καλή διασπορά στη μήτρα του υλικού αλλά και πολύ καλή ομοιομορφία ως προς το μέγεθος αλλά και το σχήμα αυτών. Μετά από ολοκληρωμένη μελέτη για την εύρεση του σταθερότερου αιωρήματος, με τη χρήση υγρής ένσφαιρης λειοτρίβησης και τη συνδυαστική προσθήκη κατάλληλου ποσοστού Darvan C και αιθυλενογλυκόλης, προέκυψαν δοκίμια μετά από μορφοποίηση μέσω μονοαξονικής συμπίεσης στα 300 και 600 MPa τα οποία παρουσίασαν φαινόμενες πυκνότητες 99 και 98.5 % με μέσο μέγεθος κόκκων 236 και 230 nm αντίστοιχα. Τα συγκεκριμένα βέλτιστα σύνθετα δοκίμια παρουσιάζουν και τους μικρότερους ρυθμούς φθοράς k = 2·10-4 g/N·m και k = 4·10-4 g/N·m για τιμές ασκούμενων πιέσεων κατά τη μορφοποίηση 600 και 300 MPa αντίστοιχα. Ενώ τέλος, οι δοκιμές διάβρωσης που έλαβαν χώρα, με τη σειρά τους επιβεβαίωσαν τα παραπάνω αποτελέσματα καθώς τα δοκίμια που προέκυψαν από τα σταθερότερα αιωρήματα εμφάνισαν εμφανώς βραδύτερες κινητικές διάβρωσης, ενώ συγκρίνοντας τις δυο διαφορετικές τιμές ασκούμενων πιέσεων, το δοκίμιο που προέκυψε με εφαρμογή πίεσης μορφοποίησης 600 MPa, φαίνεται να εμφανίζει το μικρότερο ρεύμα διάβρωσης (icorr 0.01 mA/cm2) και ως εκ τούτου παρουσιάζει τη χαμηλότερη τάση για διάβρωση.