Ученые Томского политехнического университета разработали новый вид функционально-градиентного материала – многослойной оптической керамики. Он создан из двух известных и хорошо изученных видов оптической керамики и может быть перспективен для использования в качестве светоизлучающих материалов в светотехнике, элементов пассивной оптики.
Проект политехников поддержан грантом РНФ, результаты исследования опубликованы в журнале Ceramics International (Q1, IF: 5,2).
Функционально-градиентные материалы (ФГМ) считаются материалами нового поколения и характеризуются отсутствием четких границ между компонентами и непрерывным пространственным изменением (градиентом) физико-механических свойств. Концепция их создания заключается в определении набора свойств, необходимых для выполнения заданных функций, зависимостей их пространственного распределения. Градиент структур, составов и свойств компонентов таких материалов позволяет снизить концентрацию внутренних напряжений и увеличить срок службы материала.
«Функционально-градиентные материалы обладают совокупностью свойств, отличных от свойств исходных компонентов, и позволяют производить материал с заданными свойствами для требуемых условий применения в различных областях науки и техники. Идею композитных ФГМ предложили в Японии и реализовали качестве «сверхстойких» материалов в двигательных установках и покрытиях фюзеляжа космических кораблей для снижения термического напряжения. Однако подобных проектов в направлении исследований оптически-функциональных керамических материалов практически нет. Исследование нашего коллектива посвящено получению функционально-градиентной оксидной керамики на основе материалов с разными оптическими свойствами, но с относительно близкими температурами спекания. Причем, мы постарались объединить лучшие свойства этих материалов между собой в одной функционально-градиентной структуре», — рассказывает руководитель проекта, доцент отделения материаловедения ТПУ Дамир Валиев.
Для исследования политехники выбрали три наиболее известных и изученных вида оксидной керамики – диоксид циркония, стабилизированный иттрием, алюмомагниевую шпинель и алюмоиттриевый гранат. Подобрав наиболее оптимальные режимы спекания и составы, ученые получили каждый из материалов по отдельности. Затем, используя метод импульсного электроискрового спекания, добились получения слоистой структуры.
«В итоге мы остановились на конкретном сочетании материалов – алюмоиттриевом гранате со стабилизированным диоксидом циркония, проявляющем функционально-градиентные свойства. Получили первые образцы новой микроструктуры для разработки многослойной люминесцентной керамики. Это абсолютно новый материал, он получен и изучен впервые», — подчеркивает политехник.
Ученые подробно изучили морфологические, механические, оптические и люминесцентные свойства нового материала с использованием рентгеноструктурных методов, спектрофотометрических и спектроскопических подходов.
«Исследования показали, что у нового материала наиболее эффективные светоизлучающие свойства по сравнению с другими сочетаниями материалов. Кроме того, у него достаточно неплохие температурные, упругопластические свойства. Микротвердость образца позволяет эксплуатировать его в условиях вибронагрузки или другой механической нагрузки. В целом, так как это абсолютно новый материал, сейчас мы анализируем, как именно изменились свойства оптической керамики, на основе которой он был создан: мы заранее знаем, какими свойствами обладают исходные материалы, и можем попытаться, сочетая их между собой, добавить их лучшие качества новому материалу», — поясняет Дамир Валиев.
В перспективе новый материал может быть использован, например, для изготовления лазерной керамики. Кроме того, он может применяться в качестве элементов активной и пассивной оптики. Сейчас перед политехниками стоит задача по разработке макета светоизлучающего устройства на основе нового материала.
Источник информации и фото: пресс-служба Томского политехнического университета