Фізичні властивості та характеристики фосфатів кальцію з домішками після відпалу в інтервалі температур від 20 до 1400°С

Abstract

Дисертація присвячена дослідженню фізичних властивостей та характеристик кальцій-фосфатних матеріалів, які містять домішки в інтервалі температур від кімнатної до 1400°С, який охоплює отримання кальцій фосфатних порошків та формування щільних та пористих керамік на основі фосфатів кальцію при високих температурах. Досліджено домішковий склад отриманих зразків за допомогою методів рентгеноструктурного аналізу, ІЧ- спектроскопії, мас-спектрометрії, встановлено їхні взаємодії між собою та з атомами, які утворюють структури кальцій фосфатних матеріалів. Показано, що основними домішками у зразках є нітратні сполуки (NH4+, NO3-), які залишилися в результаті хімічної реакції синтезу, а також H2O, HPO42-та CO32-, які проникають у кристалічну ґратку фосфатів кальцію при синтезі. Досліджено термічну динаміку цих домішок, їхню взаємодію між собою та з атомами, які утворюють структуру кальцій-фосфатних матеріалів. Вперше отримані кальцій-фосфатні покриття шляхом осадження із водних розчинів на новий тип металевих підкладок із MАХ фази Ti3AlC2. Встановлено оптимальні умови формування таких покриттів, а також визначено їхню структуру та фазовий склад. Досліджено електричні характеристики кальцій-фосфатних матеріалів з домішками в залежності від температури відпалу. Показано, що домішки впливають на хід залежностей електричного опору, електричної ємності, діелектричної проникності від температури відпалу та обумовлюють зміни відповідних параметрів. Встановлено, що основними носіями заряду кальцій-фосфатних матеріалів є ОН-групи, а також домішки, які утворюються внаслідок їхнього термічного розкладання при високих температурах. Розраховано енергії активації електропровідності. Досліджено процеси спікання в кальцій-фосфатних матеріалів в інтервалі температур від кімнатної до 1400°С. Було встановлено, що вони мають немонотонний характер, пов'язаний з розкладанням домішок при високих температурах. Встановлено механізми спікання керамік із кальцій-фосфатних матеріалів. Показано, що дифузія при спіканні таких матеріалів відбувається межами зерен, а також завдяки поверхневій дифузії.

The dissertation is dedicated to the study of physical properties and characteristics of calcium phosphate materials with impurities in the temperature interval from room temperature to 1400°C, which covers the production of calcium phosphate powders and the transformation of dense and porous ceramics based on the calcium phosphates at high temperatures. The impurity identification in the obtained samples was made by XRD, IR – spectroscopy, and Mass – spectrometry. These methods gave also the possibility to study the interactions of impurities with each other and with the atoms that form the structures of calcium phosphate materials. It has been shown, that the main impurities in the samples are nitrate compounds (NH4+, NO3-), which remained as by-product of the chemical reaction of the synthesis, as well as H2O, HPO42- and CO32-, which were involved into the crystal lattice of calcium phosphates during the synthesis. The thermal dynamics of these impurities, their interaction with each other and with the atoms that form the structure of calcium phosphorous materials were studied. For the first time, calcium phosphate coatings were obtained by the deposition in the aqueous solutions on a new type of metal substrates of the MAX phase Ti3AlC2. The optimal conditions for the formation of such coatings were established, as well as their structure and phase composition were determined. The electrical characteristics of calcium phosphate materials with impurities depending on the annealing temperature were studied. It has been shown, that impurities affect the dependence of electrical resistance, electrical capacity, and dielectric constant on the annealing temperature and cause changes in the corresponding parameters. It was established, that the main charge carriers of calcium phosphate materials are OH- groups, as well as impurities that are formed because of their thermal decomposition at high temperatures. The activation energies of the electrical conductivity in calcium phosphates were calculated. Sintering of calcium phosphate materials in the temperature interval from room temperature to 1400°C were studied. It was established, that they have a non-monotonic behavior associated with the decomposition of the impurities at the high temperatures. Mechanisms of ceramics sintering for calcium phosphate materials have been established. It has been shown, that the diffusion during the sintering of such materials occurs by grain boundaries, as well as due to surface diffusion.