CC BY
47
УДК 546.05, 666.3.016
Бойко А.В., Сенина М.О., Лемешев Д.О.
ПРОЗРАЧНАЯ КЕРАМИКА НА ОСНОВЕ АЛЮМОМАГНИЕВОЙ ШПИНЕЛИ С ДОБАВКОЙ ОКСИДА БОРА
Бойко Алена Викторовна, студент 1-го курса магистратуры кафедры химической технологии керамики и огнеупоров РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва,е-шай: alena140296@mail.ru
Сенина Марина Олеговна, аспирант кафедры химической технологии керамики и огнеупоров РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва, e-mail:snnmarina@rambler.ru
Лемешев Дмитрий Олегович, к.т.н., доцент кафедры химической технологии керамики и огнеупоров РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская пл., д. 9
Рассмотрен способ получения керамики на основе алюмомагниевой шпинели, а так жевлияние оксида бора, как спекающей добавки, на её свойства. Описаны области применения, структура и факторы, влияющие на получение прозрачного поликристаллического материала.
Ключевые слова: прозрачная керамика, алюмомагниевая шпинель, синтез шпинели, спекающая добавка, оптическая керамика
TRANSPARENT CERAMICS BASED ON ALUMUMAGNIUM SPINEL WITH BORON OXIDE ADDITIVE
Boyko A. V., Senina M. O., Lemeshev D. O.
D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
The technology of producing ceramics based on aluminum-magnesium spinel, as well as the effect of boron oxide, as a sintering additive, on its properties is considered. The areas of application, structure and factors affecting the transparency of the material are described.
Key worlds: transparent ceramics, aluminum-magnesium spinel, spinel synthesis, sintering additive, optical ceramics
Одним из наиболее важных для промышленности материалов является
алюмомагниевая шпинель (АМШ) MgO • А120з- это бинарное термодинамически устойчивое соединение кубической кристаллической структуры,
обладающее высокой температурой плавления (2130 °С), химической инертностью по отношению к агрессивным средам, высокой термостойкостью и хорошим светопропусканием в УФ- (180-400 нм), видимом (180-400 нм) и ИК-диапазонах (740-5000 нм) спектра [1].
Оптическая керамика из АМШ представляет собой материал с исключительными механической прочностью, износостойкостью на истирание, эрозионной стойкостью, устойчивостью к одностороннему аэродинамическому удару, химической инертностью; материал механически стабилен до температуры 1250 °С (до 1500 °С при кратковременном воздействии), характеризуется прозрачностью в широком спектральном диапазоне (от ультрафиолетовой (УФ) до инфракрасной (ИК) области спектра) [2]. Твердостынпинели по шкале Мооса 8-9, истинная плотность 3,58 г/ . В химическом отношении шпинель устойчива по отношению к минеральным кислотам, углероду, ко многим металлам, щелочноземельным и ряду других оксидов. По отношению ко многим шлакам, в
частности содержащим оксид железа, шпинель более устойчива, чем корунд.
Шпинель не претерпевает полиморфных превращений и, следовательно, лишена каких-либо термически индуцированных фазовых изменений. Обладание уникальными оптическими и механическими свойствами делает шпинель одним из самых выдающихся материалов для производства оптически прозрачной керамики [3].
Для улучшения качества материала из АМШ необходимо повысить плотность и уменьшить пористость. Также важным вопросом современной технологии является энергоэффективность. Химические технологии создания прозрачной керамики требуют применения высоких температур, что значительно удорожает процесс. Одним из наиболее эффективных методов, позволяющим снизить температуру спекания, получить плотную керамику является введение спекающих добавок[4]. Одной из таких добавок для прозрачной керамики из АМШ является оксид бора (В203).
При введении такой добавки в материал с ростом температуры синтеза порошка АМШ есть вероятность, что температура спекания уменьшится, открытая пористость приобретет достаточно низкие показатели, а средняя плотность - высокие по
сравнению с образцами, в которых данная добавка отсутствует [5].
Целью данной работы было исследование влияния спекающей добавки оксида бора, а также температуры обжига на свойства керамики на основе алюмомагниевой шпинели.
Исходными материалами для получения прекурсора керамики из алюмомагнезиальной шпинели являлись коммерческий гидроксид алюминия Л1(ОЫ)з марки «Ч», осажденный из нитрата алюминия Л1(ЫО3)3^9Ы2О гидроксид алюминия Л1(ОЫ)з и основной карбонат магния 3М§СО3-М§(ОЫ)2-3Ы2О. Шпинель получали методом термического синтеза из смеси Л1(ОЫ)3 и 3М§СО3-М§(ОЫ)2-3Ы2О, которые были взяты из расчета потерь при прокаливании в соотношении 71,67:28,33 мас. %. Данную смесь измельчали в барабанах с использованием корундовых мелющих тел, в отношение порошок:мелющие тела = 1:3. Для приготовления порошка использовали ранее синтезированную шпинель, в которую вводили 5 мас. % оксида бора (В2О3). Порошок смешивали со спекающей добавкой в планетарной мельнице в течение 30 минут сухим способом. Формование проводили полусухим методом при давлении 100 МПа. Изделия размещали на огнеупорной подложке для предотвращения коробления и помещались в силитовую печь. Обжиг проводили при температуре 800 °С на воздухе, после чего проводили обжиг в вакууме при температурах 1650 °С и 1700 °С с выдержкой при максимальной температуре 3 часа.
Результаты испытаний: в ходе работы была исследована шпинель на основе коммерческого и осажденного гидроксида алюминия.
Для определения температур синтеза АМШ из коммерческого и осажденного гидроксида алюминия проводили дифференциально-термический анализ полученной смеси. Данные ДТА изображены на рисунке 1.
Температура, ®С
100 200 300 400 500 600 700 800 300 1000 1100 12СО
а)
а) Распад коммерческого гидроксида алюминия начинается при 530 °С, а основного карбоната магния при 480 °С. Синтез АМШ начинался при 620 °С и заканчивался при 690 °С;
б) Разложение гидроксида алюминия началось при 430 °С, а основного карбоната магния при 320 °С. Начало синтеза АМШ приходилось на 600 °С, но при данной температуре порошок находился в аморфном состоянии, и структура не является совершенной. Для более полного протекания процесса и образования фазы шпинели прокаливали при 1350 °С.
Ниже представлен РФА порошка, синтезированного при 1200 °С и 1350 °С (рисунок 2). По полученным данным можно сделать вывод, что при температуре 1200 °С образование чистой фазы алюмомагнезиальной шпинели не происходит, о чём свидетельствует наличие посторонних фаз оксида алюминия, но при температуре 1350 °С образуется чистая фаза алюмомагнезиальной шпинели.
а)
—
Т п т
14 Л л а я» во
Рисунок 1 - Результат дифференциально-термического анализа смеси основного карбоната магния с коммерческим гидроксидом алюминия (а) и осажденным гидроксидом алюминия (б)
б)
Рисунок 2 - Штрих-рентгенограмма порошка, синтезированного при 1200 °С (а) и при 1350 °С (б) Из двух порошков перспективнее использовать синтезированный при 1350 °С несмотря на то, что геометрия синтеза примерно одинакова, однако фазовый состав у такого порошка гораздо лучше.
Был произведен обжиг отформованных изделий в вакуумной печи при двух температурах: 1650 °С и 1700 °С. Ниже (рисунок 3) представлены фотографии микроструктуры образца, обожженного при температуре 1650 °С и 1700 °С, содержащего 5 мас. % добавки оксида бора.
а) б)
Рисунок 3 - Фотографии микроструктуры АМШ с добавкой B2O3 после обжига в вакууме при 1650 °С
(а) и 1700 °С (б)
Проанализировав микроструктуру порошка АМШ с добавкой оксида бора, обожжённого при 1650 °С, можно сделать вывод, что в материале присутствуют зерна как 10 мкм, так и достаточно крупные (до 60 мкм), также содержится большое количество пор, что не позволяет достичь полной прозрачности материала, однако порошок, обожженный при 1700 °С,полностью состоит из кубических зерен, но небольшое количество пор все же присутствует, что также негативно складывается на оптических свойствах образцов.
При температуре обжига 1650 °С открытая пористость составила 25,3%, а средняя плотность -2,17 г/см3. При температуре 1700 °С открытая пористость составила 2,57 %, а средняя плотность -3,17 г/см3.
Заключение
Добавка В2О3 в шпинель является эффективным активатором процесса спекания. Введение оксида бора способствует образованию более плотных образцов. С увеличением температуры синтеза средняя плотность растёт, а открытая пористость - уменьшается, тем самым можно сделать вывод о том, что с помощью введения испаряющихся добавок возможно получение прозрачной керамики.
Повышение температуры обжига АМШ с 1650 °С до 1700 °С позволяет получать более плотный материал с меньшим количеством пор.
Шпинель на основе осажденного гидроксида алюминия и основного гидрокарбоната магния содержит более мелкодисперсную структуру, имеет распределение частиц по размерам (от 30 до 200 мкм) в сравнении со шпинелью, на основе коммерческого гидроксида алюминия и гидроксида
магния, соответственно, является лучшим материалом для производства прозрачной керамики.
Достигнут высокий уровень
светопропускания, но для большего результата рекомендуется повышение температуры, что будет способствовать улучшению спекания, сведению пористости к минимуму и получению более прозрачных образцов.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 1833-00507.
Список литературы
1. Л.Т. Павлюкова, Е.С. Лукин, Н.А. Попова. Прозрачная керамика из алюмомагнезиальной шпинели // Тезисы докладов «VII конкурс проектов молодых ученых». Москва. 2013.
2. Балкевич В.Л. «Техническая керамика». Оптически прозрачная керамика на основе оксида иттрия (III), полученная по алкоксотехнологии» Год: 2008[Электронный ресурс]: офиц. сайт. - http://www.dissercat.com/ - Дата обращения 7.11.2017.
3. MarkMet - сайт технической и нормативной информации по металлургии [Электронный ресурс]: офиц. сайт. - http://markmet.ru/ - Дата обращения 10.11.2017.
4. О.Л.Хасанов, З.Г.Бикбаева. Наноструктурная керамика. Порошковые технологии компактирования конструкционных материалов // Томск: Изд. Томского политехнического университета. 2009.
5. Е.С. Лукин, Н.А.Попова. Технология, свойства и применение оптически прозрачной керамики: перспективы развития // Конструкции из композиционных материалов. 2015. № 3.
