Новый вид многослойной оптической керамики (функционально-градиентного материала) разработали ученые Томского политехнического университета (ТПУ), 21 сентября сообщает пресс-служба вуза.

Материаловеды ТПУ использовали для создания этого вида два уже известных и хорошо изученных вида оптической керамики. Новый вид функционально-градиентного материала (FGM) имеет перспективу использования в светотехнике, а также как светоизлучающий материал в качестве элементов пассивной оптики.

Результаты исследования новых материалов разработчики представили в статье «Спекание и характеристика новых многослойных MgAl₂O₄/YAG, MgAl₂O₄/YSZ и YAG/YSZ-керамических архитектур для фотонных применений», опубликованной в журнале Ceramics International (Q1, IF: 5,2).

В последнее время внимание материаловедов привлекли функционально-градиентные материалы, характеризующиеся отсутствием четких границ между компонентами и непрерывным пространственным изменением (градиентом) физико-механических свойств.

При создании таких материалов заранее определяется набор свойств, которые могут обеспечить выполнение заданных функций, и зависимости их пространственного распределения. Например, можно сформировать такой градиент структур, составов и свойств компонентов, при котором произойдет снижение концентрации внутренних напряжений, что увеличит срок службы изделия из этого материала.

Руководитель проекта, доцент отделения материаловедения ТПУ Дамир Валиев пояснил:

«Функционально-градиентные материалы обладают совокупностью свойств, отличных от свойств исходных компонентов, и позволяют производить материал с заданными свойствами для требуемых условий применения в различных областях науки и техники. Идею композитных ФГМ предложили в Японии и реализовали в качестве „сверхстойких“ материалов в двигательных установках и покрытиях фюзеляжа космических кораблей для снижения термического напряжения. Однако подобных проектов в направлении исследований оптически-функциональных керамических материалов практически нет».

Ученый рассказал, что их коллектив провел исследование по получению функционально-градиентной оксидной керамики с использованием материалов с разными оптическими свойствами, но с достаточно близкими температурами спекания.

Исследователи намеревались объединить в одной функционально-градиентной структуре лучшие свойства выбранных материалов. Этими материалами стали три хорошо известных и изученных вида оксидной керамики, а именно: диоксид циркония, стабилизированный иттрием; алюмомагниевая шпинель и алюмоиттриевый гранат.

Эти материалы были выбраны за их высокие физико-механические и оптико-люминесцентные свойства, а также из-за возможности направленной коррекции этих свойств введением легирующих добавок и/или контролем концентрации кислородных вакансий.

Сначала исследователи получили образцы выбранных материалов с оптимально подобранным составом, используя оптимальные режимы спекания. На следующем этапе они, применив метод импульсного электроискрового спекания, получили слоистую структуру.

«В итоге мы остановились на конкретном сочетании материалов — алюмоиттриевом гранате со стабилизированным диоксидом циркония, проявляющем функционально-градиентные свойства. Получили первые образцы новой микроструктуры для разработки многослойной люминесцентной керамики. Это абсолютно новый материал, он получен и изучен впервые», — отметил руководитель проекта.

Исследователи, используя рентгеноструктурные методы и спектрофотометрические и спектроскопические подходы, установили морфологические, механические, оптические и люминесцентные свойства нового материала.

«Исследования показали, что у нового материала наиболее эффективные светоизлучающие свойства по сравнению с другими сочетаниями материалов. Кроме того, у него достаточно неплохие температурные, упругопластические свойства. Микротвердость образца позволяет эксплуатировать его в условиях вибронагрузки или другой механической нагрузки», — рассказал Дамир Валиев.

В настоящее время ученые определяют, как изменились свойства оптической керамики, на основе которой был создан новый материал. Поскольку им известно, какими свойствами обладают исходные материалы, они попытаются, сочетая их между собой, добавить их лучшие качества новому материалу.

Полученный ими материал, считают создатели, можно использовать в качестве лазерной керамики, а также для элементов активной и пассивной оптики. Ученые ТПУ намерены разработать макет светоизлучающего устройства на основе созданного нового материала.