Анотація до роботи:

Фесенко І. П. Технологічні та структурні закономірності вільного спікання кераміки на основі нітриду алюмінію. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за фахом 05.02.01 – матеріалознавство. Спеціальність 05.02.01 – матеріалознавство. – Інститут надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля Національної академії наук України, Київ, 2007 р.

Захищаються наукові положення та результати дослідження отримання спіканням при нормальному тиску щільних AlN-матеріалів з високим рівнем механічних, електро- та теплофізичних властивостей, заданим рівнем поглинання мікрохвиль, які ґрунтуються на активації процесу ущільнення в результаті одночасної дії високих температур, розвинутої поверхні частинок нанодисперсного порошку, збільшенні густини дефектів і фрагментації частинок нанодисперсного порошку в результаті гідродинамічної обробки, дії активуючих фаз в системах мікронного порошку; які ґрунтуються на формуванні в матеріалах з нанодисперсного порошку зерен з високою густиною дислокацій і прошарками багатошарових політипів; ґрунтуються на зміні діелектричних властивостей матеріалу при введенні в керамічну матрицю частинок тугоплавких металів і металоподібних тугоплавких сполук. Визначені оптимальні технологічні схеми, які дають можливість одержувати деталі необхідних розмірів функціонального або конструкційного призначення з керамічних матеріалів на основі AlN.

В результаті виконаного дослідження розв’язана важлива науково-технічна проблема, яка полягає у встановленні закономірностей отримання вільним спіканням матеріалів на основі нітриду алюмінію з майже теоретичною густиною, високим рівнем теплопровідних, діелектричних та механічних властивостей, що має велике народногосподарське значення.

1. У роботі встановлено вплив технологічних чинників на мікроструктуру керамічного порошку AlN при розмелюванні. Показано, що диспергування частинок порошку проходить з різною швидкістю в залежності від енергонасиченості обладнання, тобто від величини потужності, яка припадає на одиницю ваги порошку, причому, частинки порошку, розмеленого у вібраційному млині, містять, в основному, скупчення дислокацій, а для розмеленого у планетарному активаторі характерні окремі дислокації, що свідчить про різний ступінь пластичної деформації частинок. Показано, що процес планетарного змішування порошку AlN з порошком молібдену забезпечує формування на поверхні металу шару окремих субмікронних частинок основної фази, що служить першим етапом одержання композитів з керамічною матрицею.

2. Встановлено структурно-морфологічні та теплофізичні закономірності одержання високощільного матеріалу з AlN при атмосферному тиску азоту без застосування технології гарячого пресування за умови активації процесу усадки. Показано, що така активація має місце:

при застосуванні нанодисперсних порошків за рахунок утворення активуючих фаз на розвинутій поверхні порошків;

при спіканні систем мікронних порошків AlN при утворенні шару рідкої фази оксинітриду алюмінію, а також дії таких активуючих фаз, як оксид та гідрид ітрію. Показано, що сполуки ітрію відіграють роль геттера в процесі спікання і очищують матричну фазу нітриду алюмінію від домішкового кисню. При цьому, теплопровідність полікристалічного матеріалу на основі нітриду алюмінію, одержаного вільним спіканням, значно вища в порівнянні з матеріалом, одержаним гарячим пресуванням без активаторів спікання.

3. Вперше методом наноіндентування експериментально визначено твердість, модуль пружності та параметр пластичності AlN в полікристалах різного структурного стану. Показано, що AlN є більш пластичним, ніж нітрид, карбід, диборид титану та карбід кремнію.

4. Обґрунтовано та доведено доцільність і ефективність застосування методу вільного спікання в атмосфері азоту нанодисперсного порошку AlN плазмохімічного синтезу для одержання щільного самоармованого керамічного матеріалу при проходженні етапів: коалесценції частинок всередині агрегатів, перетворення агрегатів в монокристалічні зерна, переходу адсорбованого кисню в оксинітридну фазу, розчинення оксинітридної фази в зернах матричної фази з утворенням твердого розчину кисню в AlN, переходу твердий розчин багатошарові політипи, збірної рекристалізації і росту зерен пластинчатої форми.

5. Експериментально встановлено закономірності механічного руйнування з підвищенням температури кераміки з нанодисперсного AlN. Показано, що при кімнатній температурі з ростом густини посилюється тенденція кераміки до транскристалітного зламу, причому в щільній кераміці механізм руйнування змінюється з ростом температури від транскристалітного до інтеркристалітного.

6. Вперше встановлено вплив попередньої гідродинамічної обробки нанодисперсного AlN на структуру частинок порошку, що проявляється у високого рівні пластичної фрагментації частинок, причому їх середній розмір зменшується на порядок і більше. Показано, що процес спікання без тиску гідродинамічно активованих порошкових компактів протікає шляхом:

релаксації накопиченої енергії через пластичну деформацію,

формування зерен з високою густиною дислокацій,

утворення пластиноподібних прошарків багатошарових політипів,

в результаті чого утворюється структура, яка складається як з видовжених зерен, так і з зерен, що містять політипні прошарки та зони з високою густиною дислокацій, які зберігаються в процесі спікання.

7. Встановлено роль дисперсності порошку AlN при спіканні в умовах високих тисків. Показано, що при термобаричному спіканні нанодисперсного порошку як з ростом тривалості спікання при постійних тиску і температурі, так і з ростом температури при постійних тривалості і тиску проходить тільки укрупнення зерен, тобто збірна рекристалізація з центрами збірного росту на основі агрегатів вихідних частинок, які в результаті коалесценції стають монокристалічними. При термобаричному спіканні більш крупного порошку AlN завжди має місце первинна рекристалізація в сильно деформованих зернах, причому зародки рекристалізації утворюються на основі субзерен, які сформовані на стадії динамічного повернення.

8. Встановлено особливості зміни мікроструктури та властивостей при отриманні методом спікання при нормальному тиску щільних керамічних композитів на основі нітриду алюмінію. Ці зміни базуються на різниці ступеня ковалентності та температури плавлення основної фази нітриду алюмінію та додаткових фаз, і полягають в активації процесу ущільнення частинок основної фази в результаті одночасної дії високих температур і таких факторів як підвищення об’ємної та зернограничної дифузії в частинках основної фази завдяки збільшенню дефектності частинок в результаті попередньої ударно-стираючої обробки вихідного порошку, а також в результаті введення малої кількості активуючих добавок, що приводить до зростання ефективності масопереносу при спіканні в результаті утворення рідкої фази між частинками основної фази. Показано, що застосування експериментально визначених режимів вільного спікання частинок основної непровідної фази та модифікації цих технологічних режимів при введенні в склад композиту металоподібних тугоплавких сполук з вищою температурою плавлення дозволяють одержати гетерофазну структуру з рівномірно розподіленими зернами тугоплавкої фази в матриці нітриду алюмінію.

9. Експериментально встановлено величину порогу протікання в двофазних системах, які складаються з основної непровідної фази і провідних включень, які мають більший середній розмір, ніж зерна основної фази. Показано, що для композитів з діелектричною керамічною матрицею на основі AlN з добавками тугоплавких металів та металоподібних тугоплавких сполук поріг протікання складає 16,4-16,6 % (за об’ємом).

10. Встановлено, що діелектрична проникність композитів AlN-W та AlN-Mo на частоті 3,2 ГГц змінюється при збільшенні концентрації металу відповідно від 8,6 до 12,6 та від 14,0 до 25,0, причому тангенс діелектричних втрат зростає від 0,020 до 0,026 та від 0,018 до 0,024, відповідно. Показано, що композити на основі AlN, які містять металоподібні тугоплавкі сполуки TiN, TiC, TiB₂ характеризуються величиною діелектричної проникності у межах 9,8-23,7 на частоті 3,0 ГГц, причому найвище значення = 23,7 на частоті 3,0 ГГц має композит AlN-25% (за масою) TiN. Експериментально показано, що діелектричні властивості композитів на основі AlN слабо залежать від частоти електромагнітного поля в області частот 3-37 ГГц.

11. Розроблено технології спікання при нормальному тиску з порошкових заготовок, отриманих одновісним квазістатичним або гідродинамічним пресуванням, щільних керамічних композитів на основі AlN, що дозволяє виготовляти керамічні деталі складної форми з високим рівнем механічних, електро- те теплофізичних властивостей.

12. Одержаний діелектричний AlN матеріал з низькими діелектричними втратами впроваджено на Київському заводі «Радар» для виготовлення радіаторів надвисокочастотних транзисторів. Композитний матеріал AlN-Мо використовується в НДІ «ОРІОН» для виготовлення вакуумних електронних приладів типу ламп бігучої хвилі.

Основні публікації за темою дисертації

1. Кузенкова М. А., Шевченко О. А., Фесенко И. П. Структурные особенности (AlN+Y₂O₃)–керамики // Порошковая металлургия. – 1992. – №8. – С. 11–14.

2. Влияние ударной предобработки порошка AlN на структурные превращения при его спекании / М. А. Кузенкова, Г. С. Олейник, Н. В. Даниленко, И. П. Фесенко // Порошковая металлургия. – 1997. – № 9/10. – С. 102–108.

3. Properties of AlN-TiN composite ceramics / I. P. Fesenko, P. S. Kisly, M. A. Kuzenkova, T. O. Prikhna, V. K. Sulzhenko, S. M. Dub // British Ceramic Transactions. – 2000. – vol. 99, No. 6. – P. 278–279.

4. Влияние дисперсности исходного порошка на формирование зеренной структуры поликристаллов AlN, получаемых при термобарическом спекании / Г. С. Олейник, М. А. Кузенкова, Н. В. Даниленко, И. П. Фесенко, И. А. Петруша // Сверхтвердые материалы. – 2001. – №1. – С. 29–39.

5. Фесенко И. П. Диэлектрическая керамика с высокой теплопроводностью на основе AlN // Сверхтвердые материалы – 2001. – №2. – С. 15–20.

6. Фесенко И. П. Функциональные и конструкционные материалы на основе AlN // Сверхтвердые материалы. – 2002. – №2. – С. 43–51.

7. Кераміка з нанопорошку AlN / І. П. Фесенко, П. С. Кислий, М. О. Кузенкова, Г. С. Олєйнік // Сверхтвердые материалы. – 2002. – № 4. – С. 48–54.

8. Fesenko I., Kuzenkova M. Low loss microwave ceramics of fine and nano-AlN powders // Порошковая металлургия. –2002. – № 11/12. – С. 12–15.

9. Стратийчук Д. А., Фесенко И. П., Ткач В. Н. Некоторые особенности размола порошков AlN и Si в вибро- и планетарной мельницах // Обработка дисперсных материалов и сред. – 2002. – №12. – С. 87–91.

10. Стратийчук Д. А., Смирнова Т. И., Фесенко И. П. Особенности смешивания керамического порошка AlN с порошками Mo и W в планетарной мельнице // Обработка дисперсных материалов и сред. – 2003. – №13. – С. 72–74.

11. Високотемпературний відпал AlN-кераміки / М. О. Кузенкова, С. М. Дуб, І. П. Фесенко, Р. С. Шмегера // Сверхтвердые материалы. – 2003. – №3. – С. 10–15.

12. Діелектричні властивості композитів на основі AlN в мікрохвильовій області / І. П. Фесенко, В. І. Часник, М. О. Кузенкова, Г. С. Олєйнік, В. В. Панічкіна, В. Б. Свердун, Н. В. Сергієнко, М. Г. Скришевська // Сверхтвердые материалы. – 2004. – №1. – С. 16–22.

13. Fesenko I. P., Chasnyk V. I., Sverdun N. V. Thermal conductivity and microwave dielectric properties of AlN-based ceramics containing conductive particles // Сверхтвердые материалы. – 2004. – №3. – С. 12–17.

14. Фесенко І. П., Дуб С. М. Механічні властивості AlN в полікристалі // Сверхтвердые материалы. – 2004. – №4. – С. 42– 49.

15. Фесенко И. П. Физико-механические свойства материалов на основе нитрида алюминия // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. – Киев: ИСМ им. В.Н. Бакуля НАН Украины, 2005. – Вып. 8. – С. 193–197.

16. Фесенко И.П. Технологические основы получения керамики на основе нитрида алюминия // Синтез, спекание и свойства сверхтвердых материалов: Збірник наукових праць Інституту надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України – Серія Матеріалознавство. – Київ, 2005. – С. 148–153.

17. Спікання композиційного матеріалу AlN-SiC / Т. Б. Сербенюк, В. В. Івженко, В. Б. Свердун, І. П. Фесенко, В. І. Часник, Р. С. Шмегера, Т. О. Пріхна // Сверхтвердые материалы. – 2006. – №1. – С. 38–46.

18. Фесенко И. П. Механические и теплофизические свойства композита AlN-SiC // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. – Киев: ИСМ им. В.Н. Бакуля НАН Украины, 2006. – Вып. 9. – С. 377–380.

19. Fesenko I. Ceramics and composites based on AlN // Надтверді матеріали: створення та застосування: Збірник наукових праць Інституту надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України – Серія Матеріалознавство. – Київ, 2007. – С. 218–222.

20. Патент 51498 Укр. МКІ 7 С04В35/581, С22С32/00. Шихта для виготовлення керамічного матеріалу / І. П. Фесенко, П. С. Кислий, М. О. Кузенкова, М. В. Новіков, Г. С. Олєйнік, Т. О. Пріхна, Н. В. Сергієнко, В. Б. Свердун, В. І. Часник, І. П. Шашурін – Заявл. 12.04.2002; Виданий 15.08.2005. Бюл. № 8.

21. Патент 51499 Укр. МКІ 7 С04В35/581. Шихта для виготовлення керамічного матеріалу / І. П. Фесенко, П. С. Кислий, М. О. Кузенкова, М. В. Новіков, Г. С. Олєйнік, Т. О. Пріхна, Н. В. Сергієнко, В. Б. Свердун, В. І. Часник, І. П. Шашурін – Заявл. 12.04.2002; Виданий 15.08.2005. Бюл. № 8.

22. Патент на винахід 75533 Укр. МПК(2006) С04В35/58, С22С32/00. Шихта для виготовлення керамічного матеріалу / Т. О. Пріхна, В. Б. Свердун, Т. Б. Сербенюк, І. П. Фесенко, В. І. Часник – Заявл. 24.09.2004; Виданий 17.04.2006. Бюл. №4.

23. Деклараційний патент на корисну модель 9152 Укр. МКІ 7 B22F3/14, B24D3/06, B01J3/06. Спосіб обробки матеріалів високим тиском і високою температурою / О. І. Боримський, П. А. Нагорний, В. Є. Мощіль, І. А. Петруша, Т. О. Пріхна, В. Б. Свердун, Т. Б. Сербенюк, Н. В. Сергієнко, О. М. Соколов, І. П. Фесенко – Заявл. 01.02.2005; Виданий 15.09.2005. Бюл. № 9.

24. Деклараційний патент на корисну модель 9153 Укр. МКІ 7 B22F3/14, B24D3/06, B01J3/06. Реакційна комірка пристрою для синтезу надтвердих композиційних матеріалів при високих тисках і температурах / О. І. Боримський, П. А. Нагорний, В. Є. Мощіль, І. А. Петруша, Т. О. Пріхна, В. Б. Свердун, Т. Б. Сербенюк, Н. В. Сергієнко, О. М. Соколов, І. П. Фесенко – Заявл. 01.02.2005; Виданий 15.09.2005. Бюл. № 9.

25. Патент на винахід 77833 Укр. МПК (2006) B22F3/14, B01J3/06. Спосіб обробки матеріалів високим тиском і температурою і комірка високого тиску пристрою для синтезу надтвердих композиційних матеріалів при високих тисках і температурах для його здійснення / О. І. Боримський, П. А. Нагорний, В. Є. Мощіль, І. А. Петруша, Т. О. Пріхна, В. Б. Свердун, Т. Б. Сербенюк, Н. В. Сергієнко, О. М. Соколов, І. П. Фесенко – Заявл.1.02.2005; Виданий 15.01.2007. Бюл. № 1.

26. Milling of AlN powder / I. Fesenko, O. Shevchenko, V. Moshchil, T. Prikhna // Advances in Science and Technology (ed.P.Vincenzini), v.14 {Ceramics: Getting into the 2000’s, part B}, Techna Srl. – 1999. – P. 403–408.

27. Structure formation in AlN nanopowders during sintering / M. Kuzenkova, G. Oleynik, N. Danilenko, I. Fesenko // Advances in Science and Technology (ed.P.Vincenzini), v.15 {Ceramics: Getting into the 2000’s, part C}, Techna Srl. – 1999. – P. 427–434.

28. Some Properties of AlN-TiN composite / P. S. Kisly, M. A. Kuzenkova, T. O. Prikhna, V. K. Sulzhenko, S. M. Dub, I. P. Fesenko, G. S. Oleynik, N. V. Danilenko // British Ceramic Proceedings No. 60. – 6^th Conf. Europ. Ceram. Soc., Brighton, 20-24 June 1999. – vol. 2. – P. 451–452.

29. Fesenko I., Kuzenkova M., Oleynik G. Reinforced n-AlN-Ceramics // Proceedings of NATO Advanced Study Institute “Functional Gradient Materials and Surface Layers, Prepared by Fine Particles Technology”, June 18–28, 2000, Kyiv, Ukraine. –2000. – P. 20.

30. Sintering AlN Nano-Powders / P. Kisly, M. Kuzenkova, I. Fesenko, G. Oleynik // Proc. NATO Advanced Study Institute “Functional Gradient Materials and Surface Layers, Prepared by Fine Particles Technology”, June 18-28, 2000, Kyiv, Ukraine. –2000. – P. 49.

31. Fesenko I. Sintering and Thermal Conductivity of AlN Based Ceramics Containing Refractory Compounds // 15^th International Plansee Seminar, Eds. G. Kneringer, P. Rdhammer and H. Wildner. Plansee Holding AG. Reutte. – 2001.– Vol. 3. – P. 329–332.

32. Kuzenkova M., Fesenko I., Kisly P. Investigations of Various Methods for Production of Nanostructured AlN Ceramics // 15^th International Plansee Seminar, Eds. G. Kneringer, P. Rdhammer and H. Wildner. Plansee Holding AG. Reutte. – 2001. – Vol. 3. – P. 333–339.

33. Functional and structural AlN-base ceramics / P. S. Kisly, M. O. Kuzenkova, G. S. Oleynik, I. P. Fesenko // Int. conference “Superhard tool materials on the turn of the centuries: production, properties, applications”, Kyiv, 4–6 July 2001, – P. 87–89.

34. Fesenko I. P., Kuzenkova M. O., Oleynik G. S. Reinforced n-AlN-ceramics // Functional Gradient Materials and Surface Layers Prepared by Fine Particles Technology, Eds. M.-I. Baraton and I. Uvarova. Science Series II. Mathematics, Physics and Chemistry Vol. 16 – Dordrecht/Boston/London: Kluwer Academic Publishers. – 2001. – P. 257–264.

35. Fesenko I. P. Dense AlN-base ceramics containing refractory compounds // Int. conference “Superhard tool materials on the turn of the centuries: production, properties, applications”, Kyiv, 4–6 July 2001, – P. 89–91.

36. AlN base ceramics containing TiN, TiC, TiB₂ / I. Fesenko, S. Bokoch, S. Dub, M. Kuzenkova, N. Sergienko, T. Prikhna // Proc. of Intern. Conf. «Advanced ceramics for third millenium», November 5–9, 2001, Kyiv, Ukraine. – P. 122.

37. Fesenko I., Novikov M. Microwave absorption ceramics // Proc. 10^th International Ceramics Congress CIMTEC, July 14-18, 2002, Florence, Italy. – 2002. – P. 90.

38. Fesenko I., Kuzenkova M. Low loss microwave ceramics of fine and nano-AlN powders // Proc. NATO Advanced Research Workshop “Nanostructured Materials and Coatings for Biomedical and Sensor Application”, August 4–8, 2002, Kyiv, Ukraine. – P. 22.

39. Mechanical Properties of Sintered AlN / I. Fesenko, P. Kisly, M. Kuzenkova, G. Oleynik, V. Sulzhenko // Proc. Symposium PRASIC’02, November 7-8, 2002, Brasov, Romania. – 2002. – P. 121–123.

40. Стратийчук Д. А., Смирнова Т. И., Фесенко И. П. Особенности смешивания керамического порошка AlN с порошками Mo и W в планетарной мельнице // Сб. Трудов XIII международной школы «Вибротехнология-2003», Одесса. – 2003. – С. 48.

41. Microwave absorption ceramics / I. Fesenko, M. Novikov, T. Prikhna, V. Chasnyk // 10^th International Ceramics Congress – Part D (ed. P.Vincenzini), Techna Srl. – 2003. – P. 539–544.

42. Fesenko I. Dense AlN-based ceramics containing refractory compounds // Proc. NATO Advanced Research Workshop «Innovative Superhard Materials and Sustainable Coatings», Kyiv, Ukraine, May 12–15, – 2004. – P. 56.

43. New Applications of AlN Ceramics / I. Fesenko, S. Dub, P. Kisly, M. Kuzenkova // Powder Metallurgical High Performance Materials, Proc. 16^th Int. Plansee Seminar, Eds. G. Kneringer, P. Roedhammer, H. Waldner. Plansee Holding AG, Reutte, Tirol, Austria.– 2005. – 2. – P. 754–761.

44. Fesenko I., Novikov M., Kisly P. Pressureless sintering of AlN // Advances in Science and Technology (11^th International Ceramics Congress). – 2006. – 45. – P. 639-642.