CC BY
122
УДК 621.039.75
Д. А. Бурдыкин*, Н. А. Макаров, И. М. Артемкина
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20 ,корп. 1 * e-mail: [email protected]
КОНСТРУКЦИОННАЯ КЕРАМИКА НА ОСНОВЕ СИСТЕМЫ ZrO2 - AI2O3 С ПОНИЖЕННОЙ ТЕМПЕРАТУРОЙ СПЕКАНИЯ
На основе диоксида циркония посредством введения эвтектической добавки в системе CaO - ZnO - Al2O3 - SiO2 и 20 мас. % Al2O3 разработана технология керамики, обладающей мелкокристаллическим строением, пределом прочности при трехточечном изгибе 800 ± 30 МПа, имеющей температуру спекания 1500 °С, перспективной для применения в качестве конструкционной.
Ключевые слова: конструкционная керамика; диоксид циркония; эвтектические добавки; температура спекания.
Концепции преобразования российской промышленности предполагают создание технологий принципиально новых материалов, обеспечивающих развитие различных секторов экономики. Последнее в полной мере относится к керамике, металлам, полимерам, стеклу, а также затрагивает композиционные материалы, создание которых принципиально возможно на их основе.
Рассматривая область керамического материаловедения, следует отметить, что керамика характеризуется совокупностью уникальных физико-технических свойств, которыми не обладает практически ни один класс материалов. По мнению ряда специалистов [1], конструкционная керамика, а в особенности материалы системы
ZrO2 - Al2O3, вытесняют ряд металлов и сплавов аналогичного назначения. Учитывая все возрастающую роль керамических
композиционных материалов, следует отметить, что керамика занимает все большее количество секторов современной экономики и через несколько десятков лет ее вклад в производство конструкционных материалов сравняется со вкладом металлов, а, возможно, и превысит его.
Несмотря на широкую гамму керамических материалов различного назначения,
разработанных на основе системы ZrO2 - AhOз, высокая энерго- и ресурсоемкость их изготовления, а также растущие требования научно-технического прогресса заставляют осуществлять поиск путей создания новых видов материалов, обладающих высоким уровнем физико-механических характеристик, но гораздо более низкой температурой спекания. Подобное возможно только посредством направленного управления формированием структуры оксидной керамики, основываясь на существующих взаимосвязях в цепочке состав - структура -свойство - технология.
Цель данной работы состоит в выявлении особенностей создания материалов на основе системы ZrO2 - Al2O3, модифицированных добавками эвтектических составов, что позволит создать энерго- и ресурсоэфффективные технологии керамических материалов,
обладающих высоким уровнем физико-механических свойств и температурой спекания 1500 - 1550 °С.
Одной из важнейших проблем в технологии циркониевой керамики является то, что диоксид циркония при температурах
1100 - 1200 °С подвержен интенсивной рекристаллизации, приводящей к падению механической прочности. Эффективный способ ее предотвращения - воздействие на зерна диоксида циркония внешней сжимающей нагрузкой за счет введения в состав материала второй фазы, роль которой отводится оксиду алюминия. Температура спекания таких материалов находится в пределах
1600 - 1650 °С.
В представленной работе определялось оптимальное, для предотвращения
рекристаллизации диоксида циркония, количество вводимого оксида алюминия. Выявлено, что при введении 10 мас. % Al2O3 процессы рекристаллизации прекращаются не полностью, тогда как введение
20 мас. % AhOз приводит к созданию мелкокристаллической структуры.
При формировании микроструктуры (а основная задача в рассматриваемом случае состоит в достижении максимальной плотности и мелкокристаллического строения) особого внимания заслуживают не столько методы диспергирования, сколько методы конденсации (гетерофазное осаждение, золь-гель процесс и др.), позволяющие получить узкофракционные сферические порошки микро- и нано- размеров. Последнее тем более важно, поскольку
максимальный вклад в избыточную поверхностною энергию системы, которая является движущей силой при синтезе керамического материала, существенно возрастает с уменьшением размеров частиц.
Это и послужило поводом для того, чтобы исследовать влияние природы вводимого оксида алюминия. В одну группу образцов вводился оксид алюминия, полученный при прокаливании промышленного глинозема марки ГН - 1 (в дальнейшем AhOз - Г), а в другую оксид алюминия, полученный методом гетерофазного осаждения 6-и водного хлорида алюминия (в дальнейшем Al2O3 - Х). Полученные порошки легировали оксидом магния в количестве 0,25 масс. %, а затем прокаливали при температурах 1300 °С и
1280 °С. Сравнение характеристик полученных порошков представлено в табл. 1.
Выявлено, что, несмотря на более мелкий размер частиц исходного компонента прочностные характеристики керамики, полученной с использованием Al2O3 - Х, оказались хуже по сравнению с материалом, изготовленным с добавлением Al2O3 - Г. Таблица 1
Причиной тому является слишком высокая дефектность и как следствие слишком высокая активность частиц порошка, полученного методом осаждения. Дело в том, что дефектные частицы осажденного оксида алюминия частично растворяются в жидкой фазе (образованной эвтектической добавкой), что приводит к образованию стеклофазы в готовом изделии. Что в свою очередь существенно снижает прочностные характеристики полученных образцов, так как не реализуется принцип создания прямосвязанной структуры.
Как уже отмечалось выше, температура спекания керамики в системе ZrO2 - Al2O3 составляет порядка 1600 - 1650 °С, в попытке снизить её, в систему вводилась добавка, которая должна образовать жидкую фазу, интенсифицирующую спекание, при это не ухудшая свойств готовых образцов. В данном исследовании в качестве такой добавки использовался эвтектический состав в системе CaO - ZnO - AhOз - SiO2. Составы эвтектик рассматриваемой системы представлены в табл. 2.
Материал Удельная поверхность по БЭТ, м2/г Средний размер частиц, мкм
по данным оптической микроскопии по данным электронной микроскопии
AbO3 - Г 12,8 0,5*1,5 0,2*0,5
AbO3 - X 20,4 < 1,0 ~ 0,1
Таблица 2
Составы эвтектических добавок СаО - ZnO - ЛЬОэ - SiO2 (мас. %) и температуры плавления (°С)
Обозначение добавки ZnO CaO AbO3 SiO2 Температура плавления
Минимальная по А. С. Бережному По данным ДТА
CZAS- 1 37,0 3,1 11,2 48,7 1162 1320
CZAS- 2 32,35 10,03 14,31 43,31 1200
CZAS- 3 27,91 15,78 17,99 38,32 1250
Чтобы определить оптимальное количество добавки, исследовали образцы, полученные при добавлении 3 и 4 мас. %. Во всех случаях, независимо от количества вводимого оксида алюминия и его природы, образцы, содержащие 3 мас. % добавки, оказались прочнее.
В заключение необходимо отметить, что наибольшей механической прочностью - 800 ± 30 МПа - обладает материал, содержащий 3 % мас.
добавки эвтектического состава и 20 мас. % Al2O3 - Г и обожженный при температуре 1500 °С (характеристика микроструктуры такой керамики представлена на рис.1), а рассмотренные подходы к созданию энерго- и ресурсоэффективных технологий служат надежной основой интенсификации технологических процессов снижения себестоимости, а также повышения качества продукции.
Рис. 1. Фотографии микроструктуры образцов на основе ZrO2, с добавкой 3 % мас. CaO - ZnO - AhO3 - SiO2 и 20 % мас. AI2O3 - Г
Бурдыкин Дмитрий Алексеевич студент кафедры химической технологии керамики и огнеупоров РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Макаров Николай Александрович д.т.н., профессор кафедры химической технологии керамики и огнеупоров РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Артемкина Ирина Михайловна к.х.н., доцент кафедры общей и неорганической химии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Литература
1. Abraham T. // Am. Cer. Soc. Bull. -2004. -V. 83.- №. 8. -P. 23.
Burdykin Dmitry Alexeevich*, Makarov Nikolay Alexandrovich, Artemkina IrinaMihailovna D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. * e-mail: [email protected]
ZrO2-Al2O3 BASED CERAMICS WITH LOW SINTERING TEMPERATURE
Abstract
Zirconia based ceramics technology developed by introducing eutectic additives in the system CaO — ZnO — Al2O3 — SiO2 and 20 wt. % Al2O3. Obtained ceramics have small crystal structure and the tensile strength in three-point bending of 800 ± 30 MPa allowing its use as a structural. The sintering temperature of the obtained ceramics was only 1500
Key words: structural ceramics; zirconia; eutectic additives; sintering temperature.
