REPOZITORIJ > REZULTATI

Povzetek

Doktorsko delo obravnava študij hidrolize prahu aluminijevega nitrida (AlN) v temperaturnem območju med 5 °C in 90 °C. Analiza temperaturne odvisnosti poteka hidrolize in kinetike reakcij ter postavitev mehanističnega modela za razpad prahu AlN v vodi v tem temperaturnem območju omogočata celovit pogled na proces hidrolize, ki na podlagi literaturnih podatkov v podobni obliki ni na voljo. Poznavanje zakonitosti razpada prahu AlN v vodi omogoča tudi izkoriščanje reakcij hidrolize za sintezo večfunkcionalnih nanostrukturnih prevlek iz aluminijevega oksida (Al2O3) kot tudi pripravo porozne keramike na osnovi postopka HAS (Hydrolysis Assisted Solidification).
V prvem delu raziskav sem proučeval reakcijo prahu AlN z vodo in ugotavljal vpliv temperature in vrednosti pH razredčene suspenzije prahu AlN na potek hidrolize. Proces hidrolize prahu AlN lahko razdelimo na tri glavne faze, ki so temperaturno odvisne. Prva faza je indukcijski čas hidrolize, ko prah AlN v vodi razpada zelo počasi. Na površini delcev AlN se tvori tanek gost sloj amorfnega aluminijevega hidroksida, ki se hkrati raztaplja. Druga faza hidrolize, ki je bistveno hitrejša od prve, predstavlja kristalizacijo slabo kristaliničnega bemita na površini delcev AlN. V tretji fazi hidrolize se tvori bajerit, dokler prah AlN v suspenziji popolnoma ne razpade. Z daljšimi časi pri nižjih temperaturah in višjih vrednostih pH suspenzije pa lahko bajerit kristalizira tudi z raztapljanjem bemita. Kinetiko reakcije hidrolize prahu AlN sem opisal z modelom nezreagiranega jedra. V temperaturnem območju od 22 °C do 70 °C drugo fazo hidrolize kontrolira kemijska reakcija na površini delca AlN. Aktivacijska energija reakcije je 101,4 kJ/mol. Pri 90 °C pa hitrost reakcije kontrolira proces difuzije reaktantov skozi porozni sloj bemita. Hidroliza prahu AlN z vodo pri 5 °C se po nekaj dneh ustavi. V tem času se na delcih AlN naredi 3 nm debela plast amorfnega aluminijevega hidroksida. Začetni pH suspenzije prahu AlN v območju med 5,5 in 10 ne vpliva na hitrost reakcije, vpliva pa na dolžino indukcijskega časa hidrolize, ki je pri pH 10 praktično nič.
V drugem delu študija sem izkoriščal hidrolizo vodne suspenzije prahu AlN z masnim deležem 3 % za sintezo nanostrukturnih prevlek iz Al2O3. Sinteza je mogoča, ker med hidrolizo pride do dovolj visoke koncentracije raztopljenih aluminijevih ionov, ki je potrebna za začetek heterogene nukleacije lamel bemita na keramični površini. Debelina lamel je neodvisna od temperature sinteze in znaša 3,3 nm. Njihova dolžina, od 135 nm do 259 nm, in višina, od 159 nm do 237 nm, pa sta odvisni od temperature. Gostota lamel na površinsko enoto podlage je odvisna od masnega deleža prahu AlN v suspeniji. Izračunana specifična površina lamel na podlagi znaša med 216 m2/g in 220 m2/g. Termična obdelava prevlek povzroči prehod bemita v eno izmed prehodnih oblik Al2O3 v odvisnosti od temperature. Do 900 °C se morfologija prevleke bistveno ne spremeni, adhezija prevleke s podlago pa se močno poveča. Pri temperaturah, višjih od 1000 °C, se θ-Al2O3 začne pretvarjati v termodinamsko najstabilnejšo obliko α-Al2O3, pri čemer se lamelarna struktura prevleke izgubi.
V zadnjem delu sem prikazal nekaj primerov izkoriščanja hidrolize v praksi. Sinteza nanostrukturnih prevlek iz Al2O3 na površino iz Y-TZP je učinkovit pripravljalni postopek pred cementiranjem dentalnih konstrukcij iz Y-TZP, ki je bil na Odseku za inženirsko keramiko tudi patentiran. Nanostrukturna prevleka iz Al2O3 zelo izboljša adhezijski spoj med površino keramike Y-TZP in cementom. Podobne prevleke, ki jih predhodno modificiramo z nizkoenergijskopovršinskimi kemikalijami, pa imajo takšno strukturo in dovolj veliko specifično površino, da jih lahko uporabimo kot izhodno podlago za pripravo superhidrofobnih in samočistilnih površin. Hidrolizo prahu AlN oziroma postopek HAS pa je mogoče izkoristiti tudi za pripravo porozne keramike iz Al2O3, ki izkazuje višje upogibne trdnosti kot porozna keramika, pripravljena po konvencionalnih metodah. Nanodelci α-Al2O3, ki nastanejo iz lamel θ-Al2O3 med zgoščevajnem, zelo povečajo površino nastalih vratov med matičnimi delci oblikovanca, ki je odgovorna za trdnost poroznih materialov.