Принципы наноструктурирования и высокотемпературного упрочнения материалов в многокомпонентных оксидных системах

Abstract

З фундаментальних позицій рівноважної термодинаміки розглядаються перспективи синтезу гетерофазних тугоплавких матеріалів на основі двух- та трьох-компонентних оксидних систем. Наведено, що оборотні твердофазні реакції поблизу температури оборотності забезпечують наноструктуризацію матеріалу за рахунок зникнення одних і синтезу інших фаз. Наголошується підвищена технологічна значущість оборотних твердофазних реакцій обмінного типу, що обумовлена можливостями їх сполучення при температурах, що відповідають стаціонарним станам – локальним термодинамічним рівновагам між окремими реакціями. Принципи наноструктуризації та високотемпературного зміцнення матеріалов базуються на встановленні температур оборотності твердофазних реакцій, аналізі схеми їх сполучення і визначенні температур стаціонарних станів, що дозволяє управляти термічною еволюцією фазового складу і реалізовувати ефекти: деформаційного високотемпературного зміцнення за рахунок об'ємних реакційних змін; підвищення фізико-механічних характеристик за рахунок наноструктуризації при температурах оборотності і сполучення; впливи новоутворень на властивості кінцевої гетерофазної комбінації в матеріалі, що синтезується; пониження температури синтезу цільової фази за рахунок «обходу» термодинамічної рівноваги; високотемпературного зміцнення за рахунок ендотаксії – пружній компенсації неузгодженості параметрів кристалічних решіток фаз, що утворюються при спінодальному фазовому розпаді твердих розчинів; підвищення термостійкості за рахунок самоорганізації фаз і створення дисипативної структури при періодичному характері сполучення твердофазних реакцій обмінного типу. Представлені приклади реалізації відмічених ефектів при синтезі матеріалів в системах Al₂O₃ – SiO₂, ZrO₂ – Al₂O₃ – SiO₂ и MgO – Al₂O₃ – SiO₂.

On the fundamental positions of equilibrium thermodynamics the synthesis prospects of the heterophase refractory materials on the basis of two-and three-oxide systems are viewed. It is shown that invertible solid reactions near the reversibility temperature provide nanostructuring of the material by the disappearance of some phases and synthesis of other phases. The heightened technological concernment of the invertible solid reactions is marked. These reactions can interfit at temperatures which are responsible stationary states – local thermodynamic equilibrium between individual reactions. Nanostructuring and high-temperature strengthening principles of the materials based on setting temperatures of solid reactions reversibility, analysis of their coupling schemes and determining the temperatures of stationary states. That allows to manage the thermal evolution of the phase composition and realize effects: deformation high-temperature strengthening through the voluminous reactionary changes; improving physical and mechanical characteristics by nanostructuring at temperatures of reversibility and coupling; influence of new formations on the properties of the heterophase combination in the material; synthesis temperature pulldown of purposeful phase at the expense of "detour" the thermodynamic equilibrium; hightemperature strengthening through endotaksis – elastic compensation parameters’ inconsistencies for phases crystalline lattices, which formed during the phase dissociation of solid solutions; improve the thermal resistance through phases self-organization and the creation of dissipative structures with the periodic nature of the coupling invertible solid reactions. Exemplary embodiments of such effects at the synthesis of materials in the Al₂O₃ – SiO₂, ZrO₂ – Al₂O₃ – SiO₂ и MgO – Al₂O₃ – SiO₂ systems are presented.