В Институте прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова РАН разработан метод высокоскоростного спекания керамических и композиционных материалов на основе нагрева интенсивным микроволновым излучением.
Гиротронный комплекс для высокотемпературной микроволновой обработки материалов 24 ГГц 6 кВт. Источник фото: пресс-служба ИПФ РАН
В последние годы разработка методов высокоскоростного спекания вызывает значительный интерес исследователей. Поскольку продолжительность традиционных процессов спекания измеряется многими часами, а нередко и сутками, сокращение времени обработки несет очевидные технологические преимущества, позволяя значительно сократить затраты энергии, повысить производительность труда, снизить экологические риски.
В исследованиях, выполненных сотрудниками лаборатории микроволновой обработки материалов ИПФ РАН, установлено, что при достаточной интенсивности микроволнового излучения объемный нагрев порошковой заготовки приводит к развитию тепловой неустойчивости, которая сопровождается сверхбыстрым (за время порядка или менее 1 мин.) спеканием материала до практически полной плотности. Задача выяснения физического механизма ускорения процессов массопереноса, ответственных за спекание, под воздействием электромагнитного поля обладает новизной и представляет заметный научный интерес.
Для экспериментальных исследований процессов высокоскоростного спекания были использованы разработанные в ИПФ РАН гиротронные комплексы для высокотемпературной микроволновой обработки материалов. В состав комплекса входят источник микроволнового излучения – гиротрон с выходной мощностью 6 кВт, работающий на частоте 24 ГГц, линия передачи излучения, рабочая камера объемом 0,1 м3, комплект источников питания и средств диагностики. Для реализации процессов высокоскоростного спекания разработана прецизионная система автоматического управления, позволяющая с высокой точностью поддерживать заданный режим нагрева. В исследованиях использовались высококачественные ультрадисперсные порошковые материалы, созданные специалистами Института химии высокочистых веществ им. Г.Г. Девятых РАН (ИХВВ РАН).
Эффект высокоскоростного спекания при микроволновом нагреве был продемонстрирован для широкого класса оксидных керамических и композиционных материалов функционального и конструкционного назначения. В частности, было показано, что микроструктура и свойства получаемых образцов зависят от плотности мощности микроволнового излучения, поглощаемой в объеме материала в процессе нагрева. Это открывает возможности управления свойствами создаваемых материалов выбором режимов микроволновой обработки. Полученные результаты вызвали заметный интерес специалистов в области современных методов спекания.
Данные исследования были поддержаны грантами Российского научного фонда № 17-19-01530, 20-19-00685 и 23-19-00363.
Авторский коллектив: Ю.В. Быков, С.В. Егоров, А.Г. Еремеев, И.В. Плотников, К.И. Рыбаков, А.А. Сорокин, В.В. Холопцев – ИПФ РАН; С.С. Балабанов, Е.Е. Ростокина – ИХВВ РАН.
Публикации:
1. Быков Ю. В., Егоров С. В., Еремеев А. Г., Рыбаков К. И., Сорокин А. А., Холопцев В. В. Способ спекания керамических изделий с использованием воздействия интенсивного микроволнового излучения // Патент на изобретение № 2592293, дата приоритета 02 марта 2015 г., зарегистрировано в Государственном реестре изобретений РФ 20 июля 2016 г.
2. S. V. Egorov, A. G. Eremeev, V. V. Kholoptsev, I. V. Plotnikov, K. I. Rybakov, A. A. Sorokin. Implementation of rapid microwave sintering using a 24 GHz gyrotron system // Review of Scientific Instruments. 2022. V. 93. Art. No. 064708.
3. S. V. Egorov, A. G. Eremeev, V. V. Kholoptsev, I. V. Plotnikov, K. I. Rybakov, A. A. Sorokin, E. Ye. Rostokina, S. S. Balabanov. Effect of absorbed power and dopant content on densification during rapid microwave sintering of Bi2O3-doped ZnO. // Journal of the American Ceramic Society. 2023. V. 106. P. 878–887.
4. S. V. Egorov, A. G. Eremeev, V. V. Kholoptsev, I. V. Plotnikov, K. I. Rybakov, A. A. Sorokin, S. S. Balabanov, E. Ye. Rostokina. Rapid microwave sintering of functional electroceramic materials. // Ceramics International. 2023. V. 49. P. 24222–24228.
Источник информации и фото: пресс-служба ИПФ РАН