CC BY
12
УДК 546.05, 666.3-16, 535.8
Козловская Е.А., Сенина М.О., Лемешев Д.О.
ПОЛУЧЕНИЕ ПЛОТНОЙ КЕРАМИКИ НА ОСНОВЕ АЛЮМОМАГНИЕВОЙ ШПИНЕЛИ СО СПЕКАЮЩЕЙ ДОБАВКОЙ В2О3.
Козловская Елена Алексеевна, студент 1 курса магистратуры факультета технологии неорганических веществ и
высокотемпературных материалов, e-mail: kozlovskaya.elen163@gmail.com;
Сенина Марина Олеговна, ассистент кафедры химической технологи керамики и огнеупоров;
Лемешев Дмитрий Олегович, к.т.н., доцент, декан факультета технологии неорганических веществ и
высокотемпературных материалов
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
Исследовано влияние спекающей добавки B2O3 на свойства керамики на основе алюмомагниевой шпинели. Прекурсор шпинели получен методом обратного химического соосаждения с последующим формованием методом полусухого прессования и обжигом в вакууме при температурах 1700 и 1750 °С. Выявлены тенденции, позволяющие получать наиболее плотные образцы с минимальной пористостью.
Ключевые слова: прозрачная керамика, оптическая керамика, алюмомагниевая шпинель, спекающая добавка, оксид бора.
PRODUCTION OF DENSE CERAMICS BASED ON MAGNEZIUM ALUMINATE SPINEL WITH AN SINTERING ADDITIVE В2О3.
Kozlovskaya E.A. Senina M.O., Lemeshev D.O.
D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia.
The influence of the sintering additive B2O3 on the properties of ceramics based on magnesium aluminate spinel was investigated. The spinel precursor was obtained by reverse chemical co-precipitation followed by forming by semi-dry pressing and firing in vacuum at temperature of 1750 °C. Identified trends allowing to obtain the densest samples with minimal porosity.
Key words: transparent ceramics, optical ceramics, magnesium aluminate spinel, sintering additive, boron oxide.
Важным направлением химической технологии на сегодняшний день является создание материалов с несколькими функциональными свойствами. В частности, одним из наиболее перспективных направлений развития керамической
промышленности является производство прозрачной керамики. Интерес к данному направлению возникает в связи с созданием приборов, способных работать в условиях повышенных температур и давлений, агрессивных сред и др.
Перспективным материалом в вышеописанных областях применения служит керамика из алюмомагниевой шпинели (АМШ), благодаря своим ценным свойствам, включающим доступность сырьевых материалов, химическую инертность к действию агрессивных сред, термоустойчивость, низкую плотность, превосходные оптические свойства и высокую температуру плавления [1].
Технология получения прозрачной керамики из АМШ включает применение спекающих добавок различного механизма действия, которые позволяют добиться минимальной пористости. Одной из таких добавок выступает B2O3, который при температуре 470 °С образует расплав, инициируя жидкофазное спекание, а впоследствии испаряется, не образуя новых соединений.
Крупные исследования в этой области проводил японский ученый К Tsukuma в работе [2].
Экспериментальным путем было установлено, что керамика с добавлением 0,15 мас. % уплотняющей добавки, полученная методом горячего изостатического прессования при температуре 1300 °С имеет практически нулевую пористость и пропускание света в видимой части спектра свыше 80 %.
Идентичные результаты получили ученые из Турции [3] при добавлении 0,15 мас. % B2O3, получая керамику методом искрового плазменного спекания при температуре 1300 °С.
В дальнейшем, в работе [4] было установлено, что введение 5 мас. % оксида бора с последующим спеканием в вакууме при температуре 1650 °С значительно снижает пористость керамики, доказывая незаменимый вклад уплотняющих добавок в технологии прозрачной керамики на основе АМШ.
Для получения прекурсора алюмомагнезиальной шпинели использован метод обратного химического соосаждения из водных растворов нитратов магния и алюминия, взятых в стехиометрическом соотношении (с учетом потерь при прокаливании). После получения порошка прекурсора алюмомагнезиальной шпинели проведена дифференциально-сканирующая калориметрия с целью подбора оптимальной температуры синтеза для получения фазы шпинели стехиометрического
состава. После синтеза алюмомагнезиальной шпинели проведен рентгенофазовый анализ для идентификации фаз, находящихся в материале. Исследования микроструктуры проводились методом сканирующей электронной микроскопии.
Таким образом, целью настоящего исследования является выявление тенденций получения плотной керамики из алюмомагниевой шпинели со спекающей добавкой оксида бора.
Добавка оксида бора в диапазоне концентраций 5,0-7,0 мас. % введена в порошок шпинели мокрым способом. Формование заготовок осуществлялось методом одноосного двустороннего полусухого прессования на гидравлическом прессе П-50 в металлической форме при давлении прессования 100 МПа. Обжиг образцов после удаления временной технологической связки проводился в вакуумной печи при температурах 1700 °С и 1750 °С. Определение свойств обожжённых изделий проводилось методом насыщения керамического тела водой и последующего гидростатического взвешивания.
По данным ДСК (рис. 1) активная кристаллизация алюмомагнезиальной шпинели начинается при температуре примерно 890 °С, а конец кристаллизации шпинели приходится на 1100 °С. С целью более полного прохождения процесса шпинелеобразования и совершенствования структуры выбрана температура синтеза 1200 °С.
НН1Я1М1Б
111.1 нвгнш
тыш» -сигмщтэ х
шинимнч
-1-г> ЮОТОмИт
Рис. 1. ДСК прекурсора алюмомагниевой шпинели
После обжига при температуре 1700 °С определены значения открытой пористости и средней плотности образцов с концентрациями добавки оксида бора от 5,5 до 7,0 мас. %. Данные представлены в таблице 1.
Таблица 1. Открытая пористость и средняя плотность образцов, обожжённых при температуре 1700 ° С
Концентрация добавки, % Открытая пористость, % Средняя плотность, г/см3
5,5 9,6 2,78
6,0 9,9 2,78
6,5 12,5 2,64
7,0 13,2 2,56
В результате анализа результатов можно отметить наиболее оптимальные показатели свойств образцов при добавлении 5,5 мас. % оксида бора. Увеличение концентрации добавки В2О3 свыше 6,0 мас. % приводит к значительному ухудшению свойств керамики, полученной при температуре обжига 1700 °С, поэтому следующим исследованием стало влияние повышения температуры обжига до 1750 °С на свойства керамики, полученной из алюмомагниевой шпинели с добавками оксида бора в диапазоне концентраций 5,0-6,0 мас. %. Добавка оксида бора с концентрацией 5,0 мас. % выбрана для проведения сравнительного анализа зависимости, полученной на предыдущем этапе.
После обжига при температуре 1750 °С определены значения открытой пористости и средней плотности образцов с концентрацией добавки в диапазоне 5,0-6,0 мас. %. Результаты представлены в таблице 2.
Таблица 2. Открытая пористость и средняя плотность образцов, обожжённых при температуре 1750 ° С
Концентрация добавки, % Открытая пористость, % Средняя плотность, г/см3
5,0 4,7 3,32
5,5 4,5 3,37
6,0 5,3 3,25
Полученные результаты показывают, что при добавлении 5,5 мас. % оксида бора наблюдаются приемлемые показатели средней плотности и открытой пористости. С дальнейшим увеличением концентрации добавки данные свойства изделий, обожжённых при температуре 1750 °С, ухудшаются.
Наиболее оптимальные свойства изделий при концентрации добавки оксида бора в количестве 5,5 мас. % подтвердились при повышении температуры обжига. Объединенные результаты исследований, проводимых при температурах обжига 1700 и 1750 °С представлены в таблице 3.
Таблица 3. Открытая пористость и средняя плотность
Температура обжига, ^ Конц. В2О3, % Открытая пористость,% Средняя плотность г/см3
1700 5,5 9,6 2,78
6,0 9,9 2,78
1750 5,5 4,5 3,37
6,0 5,3 3,25
Наличие пор в материале подтверждается фотографиями микроструктуры образцов с концентрацией добавки 5,5 мас. %, обожжённых при температурах 1700 °С и 1750 °С. Результаты микроскопии представлены на рисунке 2.
Рисунок 2. Микроструктура образцов шпинели с добавкой 5,5 мас. % В2О3, обожжённых при температуре: а) 1700 °С; б) 1750 °С
Микроструктура керамики после обжига в случае а) является неоднородной и представлена кристаллами неправильной формы размерами до 20 мкм. Также отмечается наличие открытых межкристаллических пор размером до 10 мкм и внутрикристаллических пор размерами до 1 мкм, что не позволяет получить высокие показатели плотности. В случае б) можно увидеть структуру с равномерным распределением зерен размером 10-15 мкм, в отличие от структуры, наблюдаемой при обжиге на 1700 °С. Также в структуре наблюдаются открытые межкристаллические и
внутрикристаллические поры, которые могут понизить плотность керамики.
Таким образом, получены опытные образцы, в которых определены открытая пористость и средняя плотность. Выявлено, что образцы с концентрацией добавки 5,5 мас. % обладают наиболее оптимальными свойствами не только при температуре обжига 1700 °С, но также при температуре 1750 °С. Дальнейшее увеличение
концентрации добавки ведет к повышению открытой пористости и средней плотности изделий. Повышение температуры обжига образцов с концентрацией добавки оксида бора 5,5 мас. % на 50 °С ведет к уменьшению открытой пористости с 9,6 до 4,5 % и увеличению средней плотности с 2,78 до 3,37 г/см3. На основании данных заключений можно сделать вывод о том, что введение добавки оксида бора с концентрацией 5,5 мас. % и повышение температуры обжига положительно сказывается на получении более плотных образцов из алюмомагнезиальной шпинели.
Список литературы
1. Сенина М.О., Журба Е.В., Русакова Л.Ю., Педченко М.С., Лемешев Д.О. Синтез порошков алюмомагнезиальной шпинели // Успехи в химии и химической технологии - 2017. - № 3. - с. 99-101
2. Tsukuma K. Transparent MgAl2O4 spinel ceramics produced by HIP post-sintering // Journal of the Ceramic Society of Japan - 2006. - № 10. - 802-806.
3. S. Saridaç, G. Gôller, O. Yticel, F. §ahin. Production and Characterization of Magnesium Aluminate Spinel (MgAl2O4) Ceramics with Light Transmission by Spark Plasma Sintering // 18th International Metallurgy & Materials Congress - 2016. -с. 145-148
4. Сенина М.О., Лемешев Д.О., Вершинин Д.И., Бойко А.В., Педченко М.С. Влияние концентрации В2О3 на свойства прозрачной керамики на основе алюмомагниевой шпинели // Неорганические материалы - 2019. - №8. - с. 898-902
