CC BY
29
УДК 666.3.01
Йе Йинт Аунг, Макаров Н.А.
КОРУНДОВАЯ КЕРАМИКА С ДОБАВКОЙ ТИТАНАТА МАРГАНЦА
Йе Йинт Аунгмагистр 1 года кафедры химической технологии керамики и огнеупоров РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва. *e-mail: [email protected]
Макаров Николай Александрович, д.т.н. профессор, профессор кафедры химической технологии керамики и огнеупоров РХТУ им. Д.И. Менделеева;
Исследована спекшийся материал 20 мас. % частично-стабилизированного ZrO2 в Al2O3 с добавкой в системе MnO-TiO2 получен уже при температуре 1450 0С, нулевую пористость достигается. Максимальная механическая прочность в случае введения обоих добавок наблюдается при температуре обжига, равной 1550 °С. Средний предел прочности при трехточечном изгибе для керамики с титанатной добавкой составляет 560±40 МПа. Ключевые слова: оксид циркония, оксид алюминия, спекание, обжиг.
HIGHLY POROUS CELLULAR MATERIALS BASED ON ALUMINIUM OXIDE
Ye Yint Aung, Makarov N.A.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia.
Investigated the sintered material 20 wt. % of partially stabilized ZrO2 in A12O3 with the addition of MnO - TiO2 in the system was obtained already at a temperature of1450 ° C, zero porosity is achieved. The maximum mechanical strength in the case of the introduction of both additives is observed at a firing temperature of 1550 °С. The average tensile strength in three-point bending for ceramics with a titanate additive is 560 ± 40 MPa. Key words: zirconium oxide, aluminum oxide, sintering, firing.
Корундовая керамика наиболее широко применяется во многих областях техники благодаря совокупности ценных физико-технических свойств. На основе корунда созданы материалы с
мелкокристаллической прочности при изгибе электроизоляционными теплопроводностью,
структурой, пределом 300-800 МПа, хорошими свойствами, высокой светопрозрачностью и
радиационной стойкостью, химической стойкостью [1].
Оксид алюминия - соединение с ионно-ковалентным типом межатомной связи. Безводная форма А12О3 существует в нескольких полиморфных модификациях. К устойчивым относятся ОП- А12О3 и О - А12О3 ООО- А12О3 представляет собой бесцветные кристаллы, имеющие гексагональную кристаллическую решетку. Твердость корунда по Моосу - 9, теоретическая плотность колеблется от 3,98 до 4,00 г/см3, температура плавления - 2050 0С, температура кипения при атмосферном давлении -
2707 ± 6 0С. у - А12О3 имеет кубическую кристаллическую решетку. При нагревании до температур выше 1100 - 1200 0С у - А12О3 начинает необратимо переходить в корунд. Процесс завершается при 1400 - 1450 °С. Плотность хорошо
закристаллизованного
□сйсЛшляет 3,65
г/см, поэтому переход в корунд сопровождается объемным сжатием на 14,3 % [1].
Диоксид циркония принадлежит к моноклинной сингонии. Он существует до 800 °С моноклинный (а) диоксид циркония при более высокой температуре превращается в тетрагональную (в) форму. Позднее при температурах выше 2000 °С у 2г02 доказано существование кубической (у) формы. Все кристаллические формы диоксида циркония обратимо превращаются одна в другую по схеме а^в^у. Превращение тетрагональной модификации в моноклинную связано с увеличением объема на 7,7 -9,0 %[3].
Таблица. Свойства образцов керамики на основе оксида алюминия с добавкой 3 мас. % MnO-TiO2 и 20 мас. % ЧСДЦ
Температура обжига, °С керамика на основе оксида алюминия с добавкой 20 мас. % ЧСДЦ керамика на основе оксида алюминия с добавкой 3 мас. % MnO-TiO2
Средняя плотность, г/см3 Открытая пористость, % Предел прочности при трехточечном изгибе, МПа Средняя плотность, г/см3 Открытая пористость, % Предел прочности при трехточечном изгибе, МПа
1200 2,90 23,0 150±15 3,12 20,2 160±20
1250 3,32 6,0 200±20 3,52 6,0 210±15
1300 3,58 2,0 230±23 3,68 1,5 278±20
1350 3,63 1,2 250±25 3,75 1 365±30
1400 3,65 0,5 268±20 3,82 0,4 390±30
1450 3,67 0,1 300±25 4,00 0,0 465±35
1500 3,75 0,0 325±30 4,09 0,0 493±25
1550 3,78 0,0 340±25 4,10 0,0 560±40
(а)
4,5 4 3,5 3 2,5
—Л!203+3%ТЮ2-Мп0 -X— Л!203-7г02+3%ТЮ2-Мпо
Ч <и а о
1100 1200 1300 1400 1500 1600 температура,°С
25 20
кД
н
и
о н и И
а о
15
10
0
А1203+3%ТЮ2-МпО
—X— А1203-2г02+3%ТЮ2-
Мпо
—,- —К—К—К-1
1100 1200
1300 1400 температура, °С
1500 1600
Рисунок. Зависимости средней плотности (а), пористости (б), прочности(в) при изгибе образцов корундовой керамики, обожженной при различных температурах 1200°С-1500°С и 1550°С с выдержкой 2 ч от концентрации добавки эвтектики 3% и давлении прессования 100 МПа.
Из представленных данных следует, что для этого случая с увеличением температуры обжига наблюдается закономерный рост линейной усадки, средней плотности и прочности, а также уменьшение открытой пористости. Спекшийся материал в случае получен при температуре обжига 1500 0С. Однако необходимо отметить, что количество добавки МпО-ТЮ2, необходимое для достижения нулевой пористости, составляет 3 мас %, Среднее значение предела прочности при изгибе для спекшихся материалов составляет: в случае добавки МпО—ТЮ2 - 325 МПа. Как видно, для достижения нулевой пористости при одной и той же температуре необходимо разное количество добавок. Для повышения прочностных характеристик в состав керамики дополнительно вводили частично стабилизированный диоксид циркония в количестве 20 мас%.
Как видно из представленных данных, спекшийся материал в случае с добавкой в системе
МпО-ТЮ2 получен уже при температуре 1450 0С, нулевую пористость достигается. Максимальная механическая прочность в случае введения обоих добавок наблюдается при температуре обжига, равной 1550 °С. Средний предел прочности при трехточечном изгибе для керамики с титанатной добавкой составляет 560±40 МПа.
Микроструктура керамики, содержащей титанатную добавку, характеризуется средним размером изометричных кристаллов корунда 2^4 мкм. Диоксид титана и метатитанат марганца кристаллизуются по границам кристаллов оксида алюминия с размером до 1 мкм, в количестве до 5 %. Диоксид циркония представлен в виде тетрагонального (90 %) и моноклинного (10 %) твердых растворов. Размер частиц твердых растворов составляет менее 1 мкм. Закрытая пористость незначительная, размером до 1 мкм, в количестве 2 %. ВЫВОДЫ
1. Показано, что методический подход к выбору составов, разработанный для корундовой керамики. Выявлены закономерности управления процессом спекания материалов на основе системы ZrO2 -А1203 при использовании добавки эвтектических составов (эвтектических добавок), которые позволили снизить температуру спекания до 1400 - 1500 °С.
2. Для систем, содержащих выбранные эвтектические добавки, как между зернами А1203, так и ZrO2 образуется прямая связь, что позволяет реализовать образование прямосвязанных структур. Срастание осуществляется за счет диффузии вакансий от границы к свободной поверхности частиц. Происходящие процессы аналогичны приповерхностной самодиффузии при твердофазовом спекании.
3. На основе диоксида циркония посредством введения добавок эвтектического состава в системах МпО-ТЮ2 а также 20 %мас А1203 разработана технология керамики, обладающей мелкокристаллическим строением, средним пределом прочности при трехточечном изгибе от 800 до 900 МПа, имеющей температуру спекания 1500 °С, перспективной для применения в качестве конструкционной.
Список литературы
1. Третьяков Ю. Д. Керамика в прошлом, настоящем и будущем // Соросовский образовательный журнал / Химия. - 1998. - № 6. - С. 53.
2. Мэттьюз Ф, Ролингс Р. Композиционные материалы. Механика и технология. Пер. с англ. - М.: Техносфера, 2004 - 408 с.
3. Новые методы исследования текстуры поликристаллических материалов: Пер. с англ. - М.: Металлургия, 1985. - 312 с.
4. Лукин Е. С., Попова Н. А., Здвижкова Н. И. и др. Технология керамики на основе оксида алюминия, содержащей диоксид циркония // Огнеупоры. 1987. №
5.с. 8-10.
