Исследовано деформационное поведение керамики на основе частично стабилизированного диоксида циркония с разной морфологией порового пространства. Обнаружен эффект механической неустойчивости сформированных в процессе синтеза керамики стрежневых и пластинчатых структур, что наряду с чисто упругим поведением керамики и процессом накопления микроповреждений при активной деформации сжатием обеспечивает существенную деформацию пористой структуры без разрушения материала и соответственно более широкий спектр применения пористых керамических материалов.

Изучено поведение нанокристаллического порошка диоксида циркония при прессовании и спекании. Установлено, что даже при небольшом давлении прессования 50 МПА, происходит интенсивное разрушение структурных элементов порошка. Активное взаимодействие нанокристаллических частиц на стадии нагрева приводит к формированию пористого каркаса, устойчивого к дальнейшему уплотнению при изотермической выдержке в процессе спекания.

Методами ИК-спектроскопии, РФА с применением кинетических исследований и термодинамического моделирования разработан и реализован в виде методики атомно-эмиссионного анализа материаловедческий подход, позволяющий с учетом фазовых превращений экспрессно проводить аналитический контроль материалов на основе ZrO2.

Проведены исследования влияния гранулометрического состава порошка диборида циркония на структуру и фазовый совав керамики на его основе, получаемой методом горячего прессования. Показано, что разрушение агломератов при размоле порошка диборид циркония позволяет существенно уменьшить пористость образцов после горячего прессования. При этом определен оптимальный размер частиц порошка, обеспечивающий плотность прессовки, близкую к теоретической.

В работе проводили исследования деформационного поведения при одноосном статическом сжатии керамических образцов из диоксида циркония, обладающих различной поровой структурой. Показано, что в образцах с крупными порами последние являются активным структурным промежуточным уровнем деформации, вовлечение которого в сопротивление пластическому деформированию обусловливает существенное (в 3 раза) повышение степени деформации при разрушении при сопоставимом уровне предела прочности в образцах обоих типов. Предложена методика установления стадийности деформационных процессов на мезомасштабном уровне, основанная на построении и последующем анализе зависимости внешнего деформирующего напряжения от логарифма интенсивности деформации сдвига. На основании полученных данных предложена схема структурных уровней деформации исследуемых материалов, в основу которой положен анализ стадийности зависимости sigma–gamma.

Показано, что в структуре керамического материала на основе диоксид циркония происходит формирование разнонаправленных волокон окиси алюминия протяженностью в несколько микрон в процессе термообработки и последующего спекания сильнонеравновесных порошков состава 80 вес. % ZrO2 (3 мол. % Y2O3) + 20 вес. % Al2O3, полученных методом денитрации растворов солей в плазме ВЧ разряда.

Исследованы структура поверхности трения и триботехнические характеристики керамики ZrO2+3 мол. % Y2O3 при трении по стальному диску. Показано, что на поверхности трения керамики формируются квазипериодические системы трещин и образуется слой переноса. Обнаружено, что интенсивность изнашивания керамики коррелирует с расстоянием между трещинами, ориентированными перпендикулярно направлению скольжения, и количеством материалов контртела на поверхности керамики.

В работе исследовано механическое поведение при активной деформации сжатием керамики на основе диоксида циркония. Деформационные диаграммы имеют нехарактерный для хрупких консолидированных материалов прогиб вниз. Показано, что отклонение от линейности в деформационном поведении не связаны с перемещением микрообъемов материала, имеет место только упругая деформация. Полученные результаты характеризуют отклик образца, представляющего собой деформируемую систему, образованную в результате технологического процесса "прессование - спекание", на одноосное нагружение. Обнаруженный эффект механической микронеустойчивости ячеистой микроструктуры, образованной вследствие разрушения сферических частиц, составляющих исходный порошок, приводит к механической устойчивости макроскопических структурных элементов.

Изложены результаты структурных исследований композита диоксид циркония/многостенные углеродные нанотрубки, полученного электрофоретическим соосаждением компонентов. На основе данных калориметрии, Раман-спектроскопии и просвечивающей электронной микроскопии показано существенное влияние углеродных нанотрубок на кинетику спекания диоксида циркония, а также структуру и фазовый состав спеченной керамики.

Исследованы механические свойства керамики ZrO2-3 вес. % MgO в зависимости от количественного фазового состава. Показано, что. уровень механических свойств керамики обусловлен количеством моноклинной фазы, содержащейся в материале. Обнаружено, что помимо, механизма трансформационного превращения, полученная керамика упрочнена микротрещинами. Также изучены триботехнические свойства керамик ZrO2=3 вес.% MgO, упрочненной микротрещинами и мартенситным превращением в условиях сухого трения по стали. Обсуждаются факторы, влияющие на поведение такой керамики при трении и износе.

Исследованы структура и механические свойства керамических композитов ZrO2-Y2O3-Al2O3 с волокнами a-Al2O3, сформированными в результате низкотемпературного отжига и последующего спекания на воздухе, в матрице ZrO2. Предел прочности на изгиб, твердость по Виккерсу и вязкость разрушения спеченных композитовZrO2-Y2O3-Al2O3 с волокнами достигали 600 МПа, 10.8 ГПа и 9 МПахм, соответственно.

Проведены исследования деформирования пористой керамики на основе нанокристаллического диоксида циркония. Показано, что накопление микроповреждений носит пороговый характер и после локального разрушения материал продолжает деформироваться по прежнему закону. Существует прямая корреляция между макронапряжениями и локальными (мезоскопическими) параметрами распределения деформаций, области равномерного накопления деформации чередуются с ее резкими изменениями, приводящими сначала к локальному, а затем к макроразрушению всего материала.

Изучены процессы изнашивания керамики на основе тетрагонального диоксида циркония, частично стабилизированного оксидом иттрия (Y-TZP), при высокоскоростном скольжении по стали без смазочного материала. Испытания проводились по схеме палец-диск до скоростей скольжения 47 м/с. Показано, что в процессе испытаний на изнашивание на поверхности керамических материалов Y-TZP и Y-TZP-Al2O3 возникают трибослои сложного состава, которые являются причиной немонотонного изменения интенсивности изнашивания. На первой стадии при увеличении скорости скольжения (от 0,1 до 4 м/с) имеет место смена типа изнашивания от нормального к катастрофическому с высокой интенсивностью изнашивания. На второй стадии (в диапазоне скоростей от 6 до 47 м/с) интенсивность изнашивания уменьшается практически до начальных значений, характерных для малых скоростей скольжения (0,1 м/с). В этом диапазоне скоростей имеет место практически безысносное трение керамик Y-TZP и Y-TZP-Al2O3.

Исследованы структура, фазовый состав и свойства ультрадисперсных керамических порошков диоксида циркония с изменением концентрации соли в растворе при изготовлении порошков методом плазмохимического синтеза. Установлено, что изменение такого технологического параметра, как концентрация соли в растворе, влияет на структуру и свойства получаемых порошков, а именно повышение концентрации приводит к увеличению среднего размера частиц порошков, а также их удельной поверхности и уменьшению насыпной плотности. Это связано с изменением количественного соотношения полых и наполненных сфер в порошке. На фазовый состав и параметры тонкой кристаллической структуры изменение концентрации влияния не оказывает.

В работе представлены трехмерные карты износа диоксида циркония частично стабилизированного окисью иттрия (Y-TZP). Показано, что имеются три характерные области скоростей с разной интенсивностью изнашивания. В условиях мягкого нагружения износостойкость определяется действием механизма трансформационного упрочнения. С повышением скорости вследствие роста температуры этот механизм упрочнения отсутствует, что приводит к резкому росту контактных напряжений, хрупкому термическому разрушению поверхности трения и, как следствие, изнашиванию. При дальнейшем повышении скорости скольжения происходит снижение интенсивности изнашивания материалов вследствие формирования сплошного слоя переноса на поверхности керамики, который залечивает возникающие при трении трещины.

В работе изучены керамические образцы, синтезированные из высокодисперсных порошков на основе ZrO2. Методом рентгеноструктурного анализа исследованы параметры тонкой кристаллической структуры и фазовый состав на поверхности после спекания и в объеме. Установлено, что размер кристаллитов слабо зависит от количества стабилизирующий добавки. С увеличением оксид магния в системе происходит уменьшение доли высокотемпературной кубической фазы. В объеме материала во всех образцах наблюдалось уменьшение кубической модификации ZrO2 и возрастание количества моноклинной. Наблюдалось уменьшение размера кристаллитов моноклинного и кубического ZrO2 и возрастание микродисторсии.

На основе компьютерного моделирования и экспериментального исследования керамики на основе диоксида циркония показано, что перколяционный переход в хрупком пористом материале от изолированных пор к сообщающимся приводит к изменению зависимости его упругих и структурных характеристик от общей пористости.

Исследовано влияние примесей замещения и вакансий на электронную структуру и оптические свойства кубического диоксида циркония. Показано, что наличие кислородных вакансий обусловливает появление дополнительных вакансионных состояний вблизи уровня Ферми, тогда как примесные атомы дают пренебрежимо малый вклад в состояния валентной зоны и дна зоны проводимости, и их влияние на кристалл носит в основном электростатический характер. Достигнуто понимание причин, способствующих стабилизации высокотемпературных фаз ZrO2 при добавлении Y2O3 и MgO. Получено хорошее согласие с экспериментальными рентгеновскими фотоэмисионными спектрами и оптическими характеристиками.

Исследовано влияние циклического спекания на фазовый состав и параметры кристаллической структуры на поверхности и в приповерхностном слое керамик на основе системы ZrO2-MgO доэвтектоидного и заэвтектоидного составов. Показано, что на поверхности керамики доэвтектоидного состава с увеличением числа циклов спекания уменьшалась до полного исчезновения доля высокотемпературных фаз ZrO2. В приповерхностном слое, напротив, доля высокотемпературных фаз возрастала с каждым циклом спекания. На поверхности и в приповерхностном слое керамик заэвтектоидного состава доля высокотемпературной кубической модификации ZrO2 с увеличением числа циклов спекания только возрастала.

Исследованы количественные параметры структур, возникающих на поверхности, и износостойкость керамики ZrO2-Y2O3 после трения по стальному диску. Показано, что на поверхностях трения керамики формируются квазипериодические трещины и образуется слой переноса. Обнаружено, что интенсивность изнашивания коррелирует с расстоянием между трещинами вдоль направления скольжения и количеством элементов стального контртела на поверхности керамики.

Проведено исследование морфологии частиц, удельной поверхности и тонкой кристаллической структуры порошков диоксида циркония и карбида титана, подвергнутых механической активации в шаровой мельнице, и свойств керамических композиционных материалов на их основе. Установлено, что максимальную плотность образцов после спекания позволяет получить не совместная, а раздельная механическая обработка порошков Zr02(Y203) и TiC. При этом добавка 15 % TiC позволяет получить минимальную пористость около 1 % и максимальную твердость 12,5 ГПа. В приграничной области между матрицей и упрочнителем происходит диффузионное взаимодействие с образованием сложного оксикарбида.

Исследованы структурные превращения происходящих в кумулятивных течениях, возникающих при взрыве кумулятивных зарядов с облицовками, содержащими нанокристаллический порошок диоксида циркония. Показано, что в облицовках, содержащих нанокристаллические порошки, возможно получение высоконеравновесных состояний материала. Обнаружен эффект релаксации сформированного неравновесного состояния, которая завершается даже при комнатной температуре при 1000-часовой выдержке, а оценка кажущейся энергии активации процесса аномально низка и равна 3.5 kcal/mol.

Показано, что для ультрадисперсной порошковой системы на основе ZrO2, подвергаемой механической обработке, существует критическое состояние, с достижением которого происходит ее разделение на две подсистемы, отличающиеся по размерам частиц на несколько порядков.

Методом подвижных клеточных автоматов проведено численное моделирование деформации и разрушения пористых керамических материалов с различными типами регулярной, а также стохастической структуры порового пространства при одноосном нагружении. Проанализировано влияние структуры пор на динамику зарождения и развития повреждений. Отмечена корреляция между эффективной жесткостью пористых образцов и скоростью накопления повреждений в них. Полученные результаты позволяют говорить о возможности квазивязкого разрушения хрупких материалов, обусловленного исключительно структурой порового пространства.

В работе представлены результаты исследований структуры и механического поведения пористой керамики, получаемой из нанокристаллического порошка частично стабилизированного диоксида циркония, предназначенной для использования при эндопротезировании костной ткани. Получена керамика с пористостью, способной обеспечить биомеханическую связь на границе раздела костная ткань – имплантат. Показано, что наличие микромеханической неустойчивости пористого керамического каркаса существенно увеличивает предельную деформацию получаемой керамики, что открывает новые возможности в использовании высокопористой керамики для замещения костной ткани.??.