Streszczenie

ROZPRAWA DOKTORSKA
Mgr inż. MAGDALENY GIZOWSKIEJ
„Masy lejne w formowaniu kompozytów ceramika-metal”.
Promotor prof. dr hab. inż. Mikołaj Szafran
Streszczenie
Kompozyty ceramika-metal o osnowie ceramicznej, dzięki swym unikalnym
właściwościom, znajdują zastosowanie w wielu dziedzinach przemysłu – przede wszystkim
jako materiał konstrukcyjny. Obecność cząstek metalu powoduje rozpraszanie energii pęknięć
rozprzestrzeniających się w materiale, co wpływa na zwiększenie m.in. odporności na kruche
pękanie i odporności na szoki termiczne ceramicznej osnowy.
Do tej pory do formowania kompozytów ceramika-metal o osnowie ceramicznej
wykorzystywano głównie metody oparte na formowaniu z mas sypkich, spośród których
można wyróżnić: prasowanie, prasowanie na gorąco, prasowanie izostatyczne, czy metoda
wtrysku. Głównym ograniczeniem wymienionych wyżej metod formowania kompozytów są
olbrzymie trudności z formowaniem wyrobów o skomplikowanym kształcie i o znacznych
wymiarach. Metody formowania wykorzystujące masy lejne zapewniają, natomiast,
możliwość otrzymania wyrobów o praktycznie dowolnym kształcie i rozmiarze. Ponadto,
formowanie z mas lejnych (ang. slip casting) kompozytów ceramika-metal może być
prowadzony w taki sposób, aby w otrzymanym materiale cząstki metaliczne były
rozmieszczone równomiernie w objętości wyrobu lub rozkład stężenia cząstek metalu miało
charakter gradientowy.
Na strukturę kompozytu otrzymanego poprzez formowanie z mas lejnych mają przede
wszystkim zjawiska zachodzące na powierzchni cząstek w zawiesinie. W przypadku
formowania mieszaniny, których właściwości elektrokinetyczne znacznie się różnią, w
zawiesinie dochodzi do aglomeracji cząstek. Ta sytuacja dotyczy układu Al2O3-Ni. Wartość
pH punktu zerowego ładunku (pHpzc) dla cząstek niklu wynosi ok. 4, natomiast dla tlenku
glinu pHpzc występuje przy pH ok. 9. W zakresie pH między 4 – 9 potencjał zeta dla niklu jest
ujemny, natomiast tlenek glinu wykazuje w tym zakresie pH dodatni potencjał zeta. Oznacza
to, że powierzchnie poszczególnych rodzajów cząstek mają znaki przeciwne i w tym zakresie
pH w masie lejnej dochodzi do zjawiska heteroflokulacji. Oddziaływania cząstek powodują
koagulację zawiesin. W celu otrzymania stabilnych, nie skoagulowanych mas lejnych na
bazie mieszaniny proszku tlenku glinu i niklu metalicznego konieczna jest modyfikacja
właściwości elektrokinetycznych tlenku glinu.
W pierwszym etapie badań przeprowadzono pomiary potencjału zeta stosowanych
proszków tlenku glinu i proszku niklu metalicznego. Wyniki skorelowano z analizą
aglomeracji w zawiesinach kompozytowych oraz obserwacjami zawiesin w skali
makroskopowej. Na podstawie wyników stwierdzono, iż w przypadku stabilizacji
„elektrostatycznej” w kompozytowej masie lejnej zawierającej proszek tlenku glinu i niklu
metalicznego dochodzi do oddziaływań. Cząstki ulegają nieznacznej aglomeracji, która
zapobiega sedymentacji cząstek niklu, pomimo znacznej różnicy gęstości materiałów
(d(Al2O3) = 3,9 g/cm3, d(Ni) = 8,9 g/cm3). Stosując środki upłynniające działające według
tego mechanizmu możliwa jest stabilizacja nawet wielokrotnie większych cząstek niklu (o
średniej średnicy ok. 5 m) w zawiesinie tlenku glinu, co prowadzi do otrzymania
kompozytów o jednorodnym rozmieszczeniu cząstek metalu w objętości.
Stosując polielektrolity, które adsorbując się na powierzchni cząstek stanowią
przestrzenną przeszkodę dla aglomeracji cząstek w zawiesinie,
można zapobiec
oddziaływaniom pomiędzy cząstkami tlenku glinu i niklu metalicznego. Kompozytowe masy
lejne stabilizowane „elektrosterycznie” przy odpowiednio dobranych parametrach mogą
posłużyć do otrzymywania kompozytów o gradientowym rozkładzie cząstek niklu w
objętości.
Otrzymane kompozyty spiekano bezciśnieniowo w kontrolowanej atmosferze.
Materiały wykazywały wysokie zagęszczenie (ok. 98 %).
Badania właściwości mechanicznych kompozytów ujawniły, że nawet niewielkie ilości
cząstek niklu w spiekach powoduje znaczny wzrost odporności na kruche pękanie
kompozytów. Współczynnik KIC dla kompozytów wypalanych w argonie wyznaczony dla
zawierających 3 %obj. cząstek niklu wynosił 6,09 MPam1/2. Podczas gdy wartość
współczynnika KIC wyznaczona dla tlenku glinu otrzymywanego w tych samych warunkach
to 4,88 MPam1/2. Oznacza to, że już ta niewielka ilość niklu w postaci cząstek rozproszonych
w ceramicznej osnowie powoduje wzrost współczynnika KIC o ok. 25 %.
Ponadto, wszystkie otrzymane kompozyty charakteryzuje większa niezawodność w
porównaniu do wyrobów ceramicznych. Moduł Weibulla wyznaczony dla kompozytów
Al2O3-5%obj. Ni wynosi ok. 7 (w zależności od procedury wypalania), natomiast parametr
ten wyznaczony dla kształtek wykonanych z materiału osnowy nie przekracza wartości 5,9.