Структурные изменения в образцах гидроксилапатита с различным содержанием примесей при отжиге в заданном интервале температур
Дипломная работа - Разное
Другие дипломы по предмету Разное
Спекание представляет собой процесс уплотнения и объединения частиц порошковых прессовок при отжиге. В результате происходит упрочнение материала. Спекание образцов может сопровождаться следующими процессами [1,70-73]:
уплотнение образцов в связи с изменением количества пор, их размеров и формы;
рекристаллизация, т.е. укрупнение зерен в связи с перемещением высокоугловых границ;
возврат, или снижение и выравнивание остаточных напряжений;
образование жидкой фазы, а также полиморфные превращения и химические реакции.
Процесс спекания ГА исследовался в единичных работах [74,75]. Показано, что уменьшение удельной поверхности частиц ГА начинается около 500оС, а уплотнение - обычно с 850оС. Существенное влияние на процесс спекания ГА оказывает парциальное давление паров воды в атмосфере. Считается [1], что при относительно низких температурах припекание частиц ГА происходит по механизму поверхностной диффузии и зависит от скорости адсорбции-десорбции водяного пара на поверхности частиц ГА, тогда как при высоких температурах основным механизмом является транспорт через газовую фазу. Другие исследователи связывают процесс уплотнения с механизмами зерногораничной и объемной диффузии [73]. Расчет значений энергии активации процессов спекания дал значение 117 кДж/моль (при Т850oC).
Спекание ГА при высоких температурах сопровождается потерей гидроксильных групп ОН-, а также разложением ГА [74,75], в результате чего образуется ? и a-ТКФ.
Установлено, что характеристики спекания зависят от предыстории, дисперсности и фазового состава, порошковых образцов [1]. Увеличение размеров частиц исходного порошка ГА от 1 до 4,2 мкм приводит к значительному повышению температуры начала интенсивной усадки при спекании. При этом плотность спеченных образцов увеличивается с уменьшением размера частиц. Энергия активации процесса роста зерен ГА при спекании составляет 122 кДж/моль, что лежит в пределах энергии активации самодиффузии в ГА (140-240 кДж/моль) [76].
Большинство работ о влиянии примесей на функциональные свойства ГА связано с вопросами упрочнения, а также увеличения трещиностойкости, плотности и твердости керамики ГА.
В работах [77-79] показано, что добавки Al2O3 в концентрации до 40 об. % увеличивают изломостойкость (рис.1.23а) и прочность на изгиб (рис.1.23б) керамики ГА.
Рис.1.23. Изломостойкость (а) и прочность на изгиб (б) керамики ГА с различным содержанием примеси Al2O3 [77].
Влияние примеси ZrO2 в концентрации 20 - 60 об. % на свойства керамики ГА, спеченной при 1450-1500оС, исследовано в работе [80]. Установлено, что добавки ZrO2 увеличивают плотность, твердость, прочность на изгиб и изломостойкость (рис.1.24, табл.1.8).
Рис.1.24. Плотность (а) и прочность на изгиб (б) спеченной керамики ГА с различным содержанием примеси ZrO2 [80].
Таблица 1.8
Твердость и изломостойкость образцов керамики ГА с различным содержанием примеси ZrO2 [80].
Условия спекания50 об. % ГА-50 об. % ZrO240 об. % ГА-60 об. % ZrO2Тведрость, ГПаИзломо-стойкость, МПам1/2Тведрость, ГПаИзломо-стойкость, МПам1/21400оC, 2ч2,2170,032,2170,113,1270,133,0570,331450оC, 1ч2,6870,032,0470,323,7470,163,4570,531450оC, 2ч3,5870,082,6470, 204,5370,284,3770,541500оC, 1ч4,2170,102,5970,155,0170,234,2570,64
Интересные результаты получили при изучении влияния примесей Ag на характеристики керамики ГА [81,82]. Поскольку температура плавления Ag (962оС) меньше температуры спекания керамики ГА (1100-1300оС), то спекание ГА происходило с образованием жидкой прослойки. Это обеспечивало большую однородность образцов; а поскольку частицы Ag являются препятствиями на пути распространения трещин, то увеличивалась изломо (трещино-) стойкость материала. Было также обнаружено, что добавки Ag приводят к уменьшению размеров частиц, плотности, твердости и повышению прочности ГА (рис.1.25 и 1.26).
Рис.1.25. Плотность (а) и твердость по Кнупу (б) спеченной керамики ГА с различным содержанием примеси Ag [81].
Рис.1.26. Прочность на изгиб (а), изломостойкость и ударная вязкость (б) спеченной керамики ГА с различным содержанием примеси Ag [82].
Влияние примесей Si на процесс спекания керамики ГА исследовано в работе [83]. Обнаружено, что примеси Si в концентрации 0-1,6 вес. % уменьшают рост частиц ГА и замедляют начало спекания по сравнению с керамикой ГА без примесей (рис.1.27).
Рис.1.27. Кривые спекания образцов ГА при различных концентрациях примеси Si [83].
В работе [84] исследовано влияние примесей F на процесс спекания ГА. Было показано, что наличие примесей F в концентрации до 10 вес. % замедляет процесс спекания и ухудшает механические свойства керамики ГА. В работах [85,86] изучали влияние примесей F на функциональные характеристики керамики ГА в интервале концентраций 0-2 ат. %. Установлено, что добавки примесей F приводят к увеличению размеров кристаллитов в керамике, уменьшению плотности, увеличению изломостойкости и твердости (рис.1.28 и 1.29).
Рис.1.28. Плотность (а) и размер кристаллитов керамики ГА (б) при различном содержании примеси F [85].
Рис.1.29. Твердость (а) и трещиностойкость керамики ГА (б) при различном содержании примеси F [86].
Выводы к разделу 1
1.Процесс кристаллизации ГА в водных растворах происходит с образованием промежуточной фазы. Это аморфный фосфат кальция (АФК), который со временем трансформируется в ГА. Согласно первоначальным представлениям, АФК состоит из сферических кластеров, размеры которых ?/p>