Фізико-хімічні основи технологій хімічно модифікованих оксидних керамічних порошків технічного призначення

Abstract

Ця робота спрямована на вирішення важливої науково-технічної проблеми – синтезу нових поліфункціональних порошкових оксидних матеріалів та розробленню системного підходу до модифікування їхньої структури для отримання на їх основі високоефективних керамічних виробів для радіо-, електро- та лазерної техніки, дисперсних наповнювачів для композиційних матеріалів на основі полімерів. Встановлено технологічні параметри отримання монофазних нанодисперсних порошків форстериту, шпінелі, гранату, S-TiO2 та магнію гідросилікату. Вивчено особливості структуро- та фазоутворення в порошках систем MgO–SiO2, MgO–Al2O3, Y2O3–Al2O3 і механізм утворення твердих розчинів заміщення внаслідок модифікування іонами Сr3+, Y3+, Zr4+, Nd3+, Yb3+, Ce4+. Науково обґрунтовано вибір модифікування титану(IV) оксиду Сульфуром для підвищення його фотокаталітичної активності. Досліджено структурні особливості синтезованих порошків та запропоновано ймовірну структуру фрагментів S-TiO2. Методами РЕА та РФЕС підтверджено механізм імплантації сульфурвмісних частинок у поверхневі шари частинок ТіО2. Встановлено ефективність використання порошку магнію гідросилікату як наповнювача полімерів. Показана можливість адсорбційно-молекулярного модифікування порошку водорозчинним полімером – полівінілпіролідоном для підвищення експлуатаційних властивостей полімеркомпозиційних матеріалів. Встановлено, що ефективність модифікування залежить від способу введення модифікатора в систему та його концентрації. На основі отриманих результатів розроблено схематичний алгоритм технологій модифікування оксидних керамічних порошків із заданими властивостями. Данная робота направлена на решение важной научно-технической проблемы – синтез новых полифункциональных порошковых оксидных материалов и разработке системного подхода к модифицированию их структуры для получения на их основе высокоэффективных керамических изделий для радио- электро- и лазерной техники, дисперсных наполнителей для композиционных материалов на основе полимеров. Установлено технологические параметры получения монофазных нанодисперсных порошков форстерита, шпинели, граната, S-TiO2 и магния гидросиликата. Изучено особенности структуро- и фазообразования в порошках систем MgO–SiO2, MgO–Al2O3, Y2O3–Al2O3 и механизм образования твердых растворов замещения в следствие модифицирования ионами Сr3+, Y3+, Zr4+, Nd3+, Yb3+, Ce4+. Научно обосновано выбор модифицирования титана(IV) окисла серой для повышения его фотокаталитической активности. Исследовано структурные особенности синтезированных порошков и предложено вероятную структуру фрагментов S-TiO2. Методами РЭА и РФЭС подтвержден механизм имплантации серосодержащих частиц в поверхностные слои частичек TiO2. Установлено что эффективность использования порошка магния гидросиликата как наполнителя полимеров. Показана возможность адсорбционно-молекулярного модифицирования порошка водорастворимым полимером – оливинилпиролидоном для повышения эксплуатационных свойств полимеркомпозиционных материалов. Установлено что эффективность модифицирования зависит от способов введения модификатора в систему и его концентрации. На основе полученных результатов разработан схематический алгоритм технологий модифицирования окисных керамических порошков из заданными свойствами. This work is aimed to deal with the important scientific and technical problems - the synthesis of new multifunctional powder oxide materials and the development of systematic approach of modifying their structure for obtention highly efficient ceramic products for radio-, electro- and laser technology, disperse fillers for composite materials based on polymers. The influence of factors on the duration of gelation and physico-chemical processes in solutions of MgO–SiO2 in the sol-gel transition process was studied. The influence of type of magnesium salts on the gels phase composition was found. The technological parameters of obtaining monophasic nanopowders of forsterite, spinel, garnet were established. The processes that took place during the heat treatment of xerogels were studied. The features of structure and phase formation in powders of MgO–SiO2, MgO–Al2O3, Y2O3–Al2O3 and the formation mechanism of solid solution substitution due to modifying of ions Сr3+, Y3+, Zr4+, Nd3+, Yb3+, Ce4+. By using the method of impedance spectroscopy it was established that the largest volume conductivity show the samples modified by Zr4+. Production testing of the modified ceramic powders indicate their suitability for radio, laser and electrical parts. The choice of titanium(IV) oxide modification by sulfur for increasing its photocatalytic activity is scientifically founded. The optimum conditions of synthesis of nanocrystalline powders S-TiO2 by sol-gel method were established. It was investigated the structural features of synthesized powders and the possible structure fragments of S-TiO2 was suggested. X-ray emission analysis and X-ray photoelectron spectroscopy methods have confirmed the mechanism of sulfur particles implantation in the surface layers of TiO2 particles. It was established that the structure of dried sols is represented by one crystal phase – anatase. The size and the shape of the powder was determined using translucent and scanning electron microscopes (TEM and SEM). The shape of the particles are spherical, particles are agglomerated. The average size of colloidal particles of titanium containing sols is 290–300 nm. The effectiveness of nanocrystalline S-ТіО2 in the processes of decomposition of dyes and volatile organic compounds both under visible and UV light was confirmed. The efficiency of using magnesium hydrosilicates as polymers fillers was established. The possibility of adsorptive molecular modifying of the powder by water-soluble polymer – polyvinyl pyrrolidine to increase the performance properties of polymer composite materials was shown. It was established that the effectiveness of the modification depends on the input method of the modifier in the system and its concentration. The formation of the material with the maximum adsorption of macromolecules of PVP, not only on the surface but also in its deeper layers was confirmed. By improving the degree of crystallinity of the composite its operating properties increase. Based on results the schematic algorithm of technology of oxide ceramic powders modification with desired properties was developed. Production tests confirmed the high efficiency of modified powders for ceramics and products based on them.