Разработка технологии и создание нового семейства оптических и термоэлектрических керамик сложных архитектур
Название разработки
Разработка технологии и создание нового семейства оптических и термоэлектрических керамик сложных архитектур.
Назначение
Предложенный и синтезированный принципиально новый термоэлектрик на основе бифазной керамики титаната стронция и оксида титана TiO2–SrTiO3 необходим как для вторичной переработки бросового тепла, так и как компонент высокотехнологических приложений: выполняя роль «активного» теплового буфера, керамика TiO2−SrTiO3 может увеличить срок службы и пиковые характеристики изделий, которые эксплуатируются при температурах более 1000°С.
Лазерные керамики Nd3+:Y3Al5O12 необходимы при разработке приборов для высокоточного измерения расстояний, наземной и космической оптической связи, мониторинга загрязнений, реализации новых режимов лазерной обработки, записи и хранения информации.
Активный “тепловой буфер” в форме керамик TiO2−SrTiO3 в сочетании с лазерной керамикой Nd3+:Y3Al5O12 будет препятствовать возникновению термических напряжений, а также деформации лазерного элемента при накачке с высокой плотностью мощности.
Описание, характеристики
Разработка технологии и создание нового семейства оптических и термоэлектрических керамик сложных архитектур на основе Nd3+:Y3Al5O12, нанокомпозитов Y2O3−MgO и SrTiO3−TiO2 – одна из ключевых задач современного керамического материаловедения. Их практическое применение актуально при решении вопроса повышения точности измерения расстояний (оптическая локация), реализации новых режимов обработки материалов, создания качественно новых носителей оптической информации и медицинского оборудования, ИК окон и термоэлектрических элементов.
В контексте данной задачи, коллективом авторов в 2019 году получены следующие научно-практические результаты:
- изучено влияние пред-отжига компактов на свойства лазерных керамик Nd3+:Y3Al5O12 (1 ат.%). Керамики, исходный компакт для которых отожжен при 600°C / 4ч, характеризуются остаточной пористостью 0.0003 об.%, линейным оптическим пропусканием >81% на длине волны генерации Nd3+ (λ=1.064 мкм) и дифференциальным КПД ~0.68 при диодной накачке на 808 нм;
- показано влияние скорости нагрева на температурное поле в керамиках YAG:Nd3+ при реакционном ИПС. Выявлено формирование оксикарбидов кремния SiOxCy при Т>1400оС в керамиках Y3Al5O12 с добавкой SiO2. Синтезированный при 1350°С / 5 мин. / 30 МПа образец Nd3+:Y3Al5O12 (4 ат.%) после отжига при 900°С / 1ч имеет остаточную пористость 0.02 об.%, линейное оптическое пропускание 83-84% от теоретического при λ=1.064 мкм, и микротвердость ~14 ГПа при среднем размере зерна ~500 нм;
- методом ИПС синтезирован ИК-прозрачный керамический нанокомпозит Y2O3–MgO с высокой термической и механической стойкостью. Наибольшее значение пропускания на уровне 71%@6000 нм при микротвердости 9 ГПа зафиксировано для образца, полученного при Т=1300°С (средний размер зерна Y2O3-0.24 мкм, MgO-0.28 мкм). Кроме того, длина волны отсечки нанокерамики Y2O3–MgO достигает 9500 нм, что превосходит большинство используемых прозрачных материалов среднего ИК-диапазона;
- показано, что в бифазной керамической системе TiO2−SrTiO3 возникновение 2DEG происходит не как обычно в специально сформированном тонком слое некоторого вещества, а спонтанно на гетероинтерфейсе TiO2/SrTiO3 (модуляционное допирование), т.к. нижняя граница зоны проводимости SrTiO3 на 0.40 and 0.20 эВ выше, чем для анатазной и рутильной форм TiO2, соответственно. В рамках метода ИПС показано, что шахматный способ распределения фаз TiO2 и SrTiO3 позволяет стабилизировать размер зерен керамики TiO2−SrTiO3 за счет локализации одной фазы границами зерен другой (наблюдается интибирование роста зерен на порядок в сравнении с индвидуальным спеканием TiO2 и SrTiO3. Синтезированный при 1350°С / 5 мин. / 30 МПа образец TiO2−SrTiO3 при относительно плотности более 98% имеет средний размер зерен TiO2 и SrTiO3 ~2мкм и ~1 мкм, соответственно.
Преимущества перед известными аналогами
Впервые керамика Nd3+:Y3Al5O12 лазерного качества получена методом реакционного спекания в вакууме без применения металл-содержащих спекающих добавок, с применением серийного оборудования и широкодоступных исходных компонентов (в рамках развиваемого авторами синергетического подхода к спеканию).
Впервые предложена бифазная керамическая система TiO2−SrTiO3, возникновение 2DEG в которой происходит не как обычно в специально сформированном тонком слое некоторого вещества, а спонтанно на гетероинтерфейсе TiO2/SrTiO3 (модуляционное допирование); при этом шахматный способ распределения фаз TiO2 и SrTiO3 и наноразмер зерен способствуют существенному повышению термоэлектрической эффективности.
Длина волны отсечки синтезированной нанокерамики Y2O3–MgO достигает 9500 нм, что превосходит большинство используемых прозрачных материалов среднего ИК-диапазона.
Область(и) применения
Активные элементы лазеров; материалы ИК-окон; преобразователи тепловой энергии в электрическую.
Правовая защита
Получен патент на изобретение «Способ получения прозрачной керамики иттрий-алюминиевого граната» № 2685305, дата регистрации в государственном реестре 28.05.2019 г.
Объекты авторского права – статьи:
– «Microstructure evolution during reactive sintering of Y3Al5O12:Nd3+ transparent ceramics: Influence of green body annealing» / Journal of the European Ceramic Society, 39 (2019) 3867-3875. – IF=4.029, Q1. doi:10.1016/j.jeurceramsoc.2019.05.013;
– «A new method for calculating the residual porosity of transparent materials» / Journal of Alloys and Compounds, 781 (2019) 892-897. – IF=4.175, Q1. doi:10.1016/j.jallcom.2018.12.130;
– «TiO2–SrTiO3 Biphase nanoceramics as advanced thermoelectric materials» / Materials, 12 (2019) E2895. – IF=2.972, Q2. doi:10.3390/ma12182895;
– «Influence of sintering temperature on structural and optical properties of Y2O3–MgO composite SPS ceramics» / Ceramics International, 46 (2019) 6537-6543. – IF=3.45, Q1.
Стадия готовности к практическому использованию
Стадия НИОКР; методика освоена.
Авторы
Косьянов Д.Ю., Ворновских А.А., Завьялов А.П., Шичалин О.О., Папынов Е.К.