CC BY
49
УДК 536.421.5, 539.4.015, 539.422.5
Аунг Чжо Мое, Н.А. Попова, Е.С. Лукин
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОРУНДОВОЙ КОМПОЗИЦИОННОЙ КЕРАМИКИ С ДОБАВКОЙ ZrO2 И AhO3-MnO-TiO2
Аунг Чжо Мое аспирант 3 года кафедры химической технологии керамики и огнеупоров РХТУ им. Д.И. Менделеева. *e-mail: [email protected];
Попова Нелля Александровна к.т.н., ст. преп. кафедры химической технологии керамики и огнеупоров РХТУ им. Д. И. Менделеева.
Лукин Евгений Степанович д.т.н., профессор кафедры химической технологии керамики и огнеупоров РХТУ им. Д. И. Менделеева.
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
Изучено влияние на спекание корундовой композиционной керамики добавок в системе ZrO2 И Al2O3-MnO-TiO2. Образцы с различным соотношением добавок (88/10/2, 78/20/2, 68/30/2)формовали одноосным полусухим прессованием при давлении 100МПа. Спекание проводилось при различных температурах 1450/1500/1550°C соответственно. Изучено влияние содержание добавок и температурыспекание. Определены физико-механические свойства керамики пористость, плотность и прочность при изгибе.
Ключевые слова: керамика, композиционный материал, прочность, спекание, электроплавленный корунд, эвтектическая добавка, ZrO2.
PHYSICO-MECHANICAL PROPERTIES OF CORUNDUM COMPOSITE CERAMICS WITH ZrO2 AND AL2O3-MnO-TiO2 ADDITIVES
Aung Kyaw My, Popova Nellya Aleksandrovna, Lukin Evgeniy Stepanovich D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia.
The influence of additives in the system ZrO2 and Al2O3-MnO-TiO2 on sintering of corundum composite ceramics has been studied. Samples with different ratio of additives (88/10/2, 78/20/2, 68/30/2) were formed by uniaxial semi-dry pressing at a pressure of 100 MPa. Sintering was carried out at various temperatures of 1450/1500/1550 ° C, respectively. The influence of the content of additives and the temperature of sintering has been studied. The physicomechanical properties of ceramics are determined by porosity, density, and bending strength.
Key words: ceramics, composite material, strength, sintering, electrofused corundum, eutectic additive, ZrO2.
Корундовая керамика благодаря прекрасным физико-химическим, электрофизическим и другим важнейшим для керамики свойствам наиболее широко применяется в настоящее время в самых разнообразных областях техники.
Для получения корундовой керамики с высокими свойствами применяют добавку в небольших количествах окид магния который образует твердый раствор с Al2O3, способствуя образованию микроструктуры с изометричными кристаллами.
Для снижения температуры спекания корундовой керамики используют добавки, содержащие TiO2 и MnO. Эти оксиды образуют твердые растворы с Al2O3 с возникновением дефектов кристаллической решетки корунда, что существенно увеличивает диффузионные процессы, приводящие к снижению температуры спекания.
В качестве добавки позволяющей существенно повысить прочность корундовой керамики, применяют частично стабилизированнй диоксид циркония-ЧСДЦ. Керамика из ЧСДЦ представляет особопрочный материал, прочность которого достигает 1700МПа при горячем прессовании и до 1100МПа при обычным спекании на воздухе без приложения давления. Введения в состав корундовой керамики способствует повышению ее прочности и трещиностойкости.
Цель данной работы является изучение влияние на спекание и свойства корундовой керамики при одновременном введении частично
стабилизированного диоксида циркония, в качестве стабилизатора 3 моль% оксида иттрия и наноструктурированного порошка эвтектического состава системы Al2O3-TiO2-MnO, имеющая состав 30%мас. Al2O3, 17%мас. MnO и 53%мас. ТО2.
В качестве основы использовали электроплавленный корунд со средним размером зерна 10 мкм. Порошок частично стабилизированного диоксида циркония получали с применением метода гетерофазного химического осаждения путем распыления концентрированных смесей солей циркония и иттрия в осадитель. Средний размер кристаллитов составлял 20-25 нм. Порошок добавки эвтектического состава Al2O3-TiO2-MnO, получали термолизом гомогенной шихты солей алюминия, магния и оксида титана при температуре 1000^ с последующем измельчением по мокрому способу до высокодисперсного состояния (Р50-1,5мкм). Компоненты композиционного корундового материала, диоксид циркония и эвтектика системы Al2O3-TiO2-MnO перемешивали по мокрому способу на валковой мельнице в тефлоновых барабанах. Составы композиций приведены в таблице 1.
Таблица 1. Составы композиций оксид алюминия-диоксид циркония-эвтектическая добавка
состав Концентрация исходных компонентов, мас.%
2г02 АЬОз Эвтектика:А1203^Ю2-Mn0
А 10 88 2
Б 20 78 2
В 30 58 2
Для приготовления формовочной массы в качестве временного технологического связующего применяли водный 5-ти % раствор поливинилового спирта в количестве 10% от массы шихты. Раствор поливинилового спирта добавляли небольшими порциями к сухой смеси компонентов при непрерывном перемешивании. Из полученной формовочной массы прессовали образцы в виде штабиков 40x6^5 мм, давление прессования 100 МПа. После прессования образцы сушили в сушильном шкафу при 80-100°С в течение 6 ч, затем обжигали на воздухе в печи с нагревателями из дисилицид молибдена. Скорость нагрева составляла 3°С/мин. Во всех случаях время выдержки при максимальной температуре составляли 2 часа. Результаты определения пористости (По), средней плотности(р) и предела прочности при изгибе(оизг.) спеченных образцов приведены в таблице 2.
На рисунке 1 показана микроструктура
исходных порошков и шихты после смешения на валковой мельнице. Порошок ЭПК слагается крупными кристаллами осколочной формы, средний размер которых составляет 10 мкм (см. рис. 1, б). Частицы порошка добавки мелкие и агломерированы, формируя вторичные агрегаты размером порядка 2 мкм (рис. 1, а). Частицы порошка диоксида циркония стабилизированные оксидом иттрия имеют округлую форму, слегка агломерираны, средний размер частиц 150 нм. (рис. 1в). При смешении на валковой мельнице произошло разрушение крупных агрегатов добавки и агломератов диоксида циркония на более мелкие фрагменты и отдельные частицы соответственно, как показано на рис. 1, г, где среди осколочных кристаллов ЭПК наблюдаются мелкие кристаллы эвтектической добавки и наночастиц диоксида циркония, равномерно распределенных по зернам электроплавленого корунда.
Рисунок 1 Фотографии микроструктуры порошков а) - эвтектическая добавка состава: А1203-ТЮ2-МпО, б) - электроплавленный корунд F-1000, в)-частично стабилизированный диоксид циркония, г) -
шихта после смешенияя на валковой мельнице
Таблица 1. Свойства корундовой композиционной керамики после обжига
состав Открытая пористость,По % Средняя плотность,р , 3 г / см Прочность при изгибе, о , МПа
Температура обжига 1500 ° С
А 14,8 3.49 140 + 10
Б 11,4 3.58 155 ± 10
В 10,9 3.85 160 + 10
Температура обжига 1550 ° С
А 5,8 3.69 180 + 10
Б 4,5 3.87 212 + 10
В 1,2 4,11 350 + 10
После обжига при температуре 145 0°С открытая пористость образцов всех составовсоставила более 20%. Образцы состава В содержащие 30мас.% диоксида циркония, спекаются при температуре 1550°С до остаточной пористости менее 1,5%, при которых данный состав имеет достаточно высокую прочность. С увеличением содержания диоксида циркония открытая пористость образцов (Потк) уменьшается от 14,8 до 10,9 % при температуре 1500 °С и от 5,8 до 1,2 % при температуре 1550°С.. Причиной сохранения остаточной пористости в данном составе является малая подвижность границ зерен ЭПК. В составах содержащих диоксид циркония более 10% мас. и эвтектическую добавку движение границ зерен ЭПК определяется образующим эвтектическим расплавом, являющимся стоком для удаления пор. Результаты по спеканию образцов с добавкой диоксида циркония и эвтектическойдобавкой в системе А1203-ТЮ2-Мп0 приведены в таблице (1).Из представленных данных следует, что с увеличением температуры обжига происходит рост кристаллов диоксида циркония и удаление пор. Материал, полученный обжигом при температуре 1550°С,содержащий 30%мас. Диоксида циркония, имел по границам зерен незначительное число пор, которые образовывали полости диаметром больше размера кристаллов диоксида циркония. Средний размер кристаллов в данных образцах составлял около 3 мкм. С повышением температуры обжига с 1500 до 1550°С происходило постепенное увеличение среднего размера кристаллов с 3 до 5 мкм и удаление остаточных пор. Во всех исследованных образцах, содержащих диоксид
циркония и эвтектическую добавку аномальный рост кристаллов, не выявлен.
Таким образом, были определены физико механические свойства корундовой композиционной керамики, полученных с использованием жидкофазного спекания корундовой керамики из электроплавленного корунда с использование дисперсного порошка в качестве добавки эвтектического состава в системе A12O3-TiO2-MnO и наноструктурированного порошка частично стабилизированного диоксида циркония. Эти результаты показали, что добавки в системе ZrO2-Y2O3 и А12О3 -TiO2-MnO эффективны для уплотнения и механических свойств корундовой керамики на основе ЭПК, позволяет получить плотный материал на основе электроплавленого корунда с остаточной пористостью менее 1,4%, прочностью при изгибе более 350 МПа.
Список литературы
1. Лукин Е.С., Попова Н.А., Здвижкова Н.И. и др. Особенности получения прочной керамики, содержащий диоксид циркония // Огнеупоры. -1991.- № 9. - С. 5-7
2. Лукин Е.С., Попова Н.А., Здвижкова Н.И. Прочная керамика на основе оксида алюминия и диоксида циркония // Стекло и керамика - 1993. № 9. - С. 10-13
3. Беляков А.В. Технология конструкционной керамики // ВИНИТИ / Итоги науки и техники -1998. - Т. 1. - С. 2-60
4. Андрианов Н.Т., Беляков А.В., Власов А.С., Гузман И.Я. и др. Практикум по технологии керамики. 2004.
