Материалы и методы нанотехнологий : учебное пособие

глава 2. Получение компактных двумерных и трехмерных наноматериалов
го диапазона (диапазон частот от 24 до 84 ГГц) в технологическом ги-
ротронном комплексе мощностью в несколько киловатт. Объемное 
поглощение сверхвысокочастотной энергии обусловливает одновре-
менный равномерный нагрев всего образца, поскольку скорость на-
грева не ограничена теплопроводностью, как в традиционных методах 
спекания. Это позволяет получать спеченную керамику с однородной 
микроструктурой.
Например, компактные образцы Al
2
O
3
были получены холодным 
изостатическим и магнитно-импульсным прессованием нанопорошка 
со средним размером частиц 26 нм. Относительная плотность спрес-
сованных образцов составляла 52 и 70 % соответственно. В резуль-
тате микроволнового спекания с максимальной температурой 1570 
и 1770 K удалось получить образцы Al
2
O
3
плотностью 99 % и средним 
размером кристаллитов около 80 нм.
Традиционные методы спекания не всегда позволяют создать проч-
ное соединение разных керамических материалов. Например, обыч-
ными методами нельзя получить механически прочное соединение 
ZrO
2
и Al
2
O
3
, что необходимо при создании устройств типа термоба-
рьеров. Применение нанокристаллических материалов и использова-
ние микроволнового спекания позволяют решить эту задачу. Соеди-
нение ZrO
2
и Al
2
O
3
достигается благодаря использованию спеченной 
прослойки из наноразмерной композитной керамики 60 об. % ZrO
2
+
+ 40 об. % Al
2
O
3
со средним размером зерен 100 нм. Относительная 
плотность прослойки составляет 96–98 % от теоретической плотно-
сти. Кратковременный микроволновый нагрев сборки «ZrO
2
/про-
слойка/Al
2
O
3
» до 1700 K обеспечивает высокопрочное соединение 
оксидов ZrO
2
и Al
2
O
3
.
2.2. Нанокерамика
В последнее время все более широкое применение находят керами-
ческие материалы в наноструктурном состоянии. В широком смысле 
к керамическим материалам относят класс материалов, получаемых 
спеканием дисперсных порошков достаточно тугоплавких и хрупких 
в обычных условиях веществ различной физико-химической природы: 
оксиды, нитриды, карбиды, бориды, силициды и другие керамические 

---

79
2.2. Нанокерамика
материалы. Керамику делят на две группы: конструкционную и функ-
циональную. К первой группе относят материалы, используемые для 
создания механически стойких конструкций и изделий. Ко второй — 
керамику со специфическими электрическими, магнитными, опти-
ческими и другими свойствами. Важнейшими компонентами совре-
менной керамики являются: оксиды алюминия, циркония, кремния, 
бериллия, титана, магния; нитриды кремния, бора, алюминия; кар-
биды тугоплавких металлов, кремния, бора и др.
Применение конструкционной керамики обусловлено такими ха-
рактеристиками, как высокая температура эксплуатации, твердость, 
прочность, коррозионная стойкость и др. Слабое место керамики — 
низкая трещиностойкость и пластичность. Для нанокерамики обна-
ружено повышение пластичности при низких температурах, а при 
повышенных температурах нанокристаллические материалы могут 
проявлять свойства сверхпластичности.
Среди конструкционной керамики следует выделить карбиды и ни-
триды тугоплавких металлов (W, Ti, V, Ta и др.) и сплавов на их основе. 
Основные области их применения — это износостойкие инструменты 
и различные детали (сверла, фрезы, прокатные валки, штампы и др.). 
Объем их производства постоянно возрастает. Так, только в 2000 году 
было произведено более 12 000 т субмикрокристаллических и нано-
кристаллических твердых сплавов.
Многие материалы конструкционного назначения базируются 
на основе оксидной нанокерамики, в частности, на основе ZrO
2
, Al
2
O
3
, 
V
2
O
3
, TiO
2
и др. Среди оксидной нанокерамики особое место занима-
ет диоксид циркония. Нанокерамика на основе ZrO
2
обеспечивает вы-
сокую стойкость изделия в агрессивных средах, имеет повышенную 
жаропрочность, износостойкость, термостойкость, стойкость к ради-
ационному воздействию. Так, срок службы плунжеров шахтных на-
сосов из ZrO
2
в десять раз превышает время эксплуатации плунжеров 
из легированной стали.
Нанокерамика из диоксида циркония может способствовать соз-
данию новых альтернативных источников энергии. Уже сейчас соз-
даются топливные элементы с керамическим оксидным электродом 
(SOFC) из диоксида циркония. Эти элементы позволяют непосред-
ственно превращать химическую энергию топлива в электрическую 
с коэффициентом эффективности от 50 до 60 %.

---

80