CC BY
19
УДК 666.3.017
Аунг Чжо Ньейн, Беляков А.В.
РАЗРАБОТКА КОМПОЗИЦИОННОЙ КЕРАМИКИ ИЗ КАРБИДА КРЕМНИЯ С ЭВТЕКТИЧЕСКИМИ ДОБАВКАМИ В СИСТЕМЕ Al2O3-TiO2-SiO2
Аунг Чжо Ньейн, магистр 2 года кафедры химической технологии керамики и огнеупоров РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва. e-mail: aungkyawnyein.94@gmail.com
Алексей Васильевич Беляков, д.х.н., профессор РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва. Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
Разработан метод получения достаточно плотной зернистой керамики из карбида кремния путем применения добавок эвтектических составов в системе Al2O3-TiO2-SiO2. Рассмотрено влияние количества эвтектической добавки в карбид кремния, давления прессования заготовки и температуры обжига на свойства керамики. Установлено, что после обжига при 1450 XJ с введением в состав керамики 7 масс. % AhOs-TiOySiOj добавки эвтектики открытая пористость составила 9,6%, а прочность при изгибе достигала 65 +5МПа. Ключевые слова: карбид кремния, спекание, эвтектическая добавка, конструкционная керамика
THE DEVELOPMENT of COMPOSITE CERAMICS OF SILICON CARBIDE WITH ADDITIVES OF EUTECTIC IN THE SYSTEM AhO3-TiO2-SiO2
Aung Kyaw Nyein, Alexey Vasil'evitsh Belyakov
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia.
A method has been developed for obtaining sufficiently dense granular ceramics from silicon carbide by using additives of eutectic compositions in the Al2O3-TiO2-SiO2 system. The influence of the amount of eutectic additive in silicon carbide, the pressing pressure of the green body and the firing temperature on the properties of ceramics is considered. It was established that after sintering at 1450 ° C with the introduction of 7 wt.% Al2O3-TiO2-SiO2 to the eutectic additive, the open porosity of the eutectic was 9.6%, and the flexural strength reached 65 ± 5 MPa. Key words: silicon carbide, eutectic additive, sintering, structural ceramics.
Композиционные керамические изделия представляют собой большую группу материалов, изготавливаемых из оксидных и бескислородных соединений, которые очень широко применяют в самых разнообразных областях техники.
Карбид кремния отличается от других бескислородных соединений своей доступностью, низкой удельной массой, прекрасными физико-механическими и химическими свойствами, что позволяет использовать материалы на основе карбида кремния в самых разнообразных областях современной техники.
В последние годы для получения изделий из зернистого карбида кремния используют нанопорошки эвтектических составов оксидных систем. Совместное использование порошка карбида и оксидных эвтектических добавок дает возможность создать керамические материалы с улучшенными физико-техническими
характеристиками. Ультрадисперсные
закристаллизованные фазы эвтектики позволяют проводить спекание в воздушной среде, снизить температуру спекания, что обеспечивает материалу необходимую прочность, твердость и трещиностойкость.
Цель данной работы - получение композиционного керамического материала на основе двухфракционного порошка карбида кремния с добавками эвтектических оксидных систем для обеспечения спекания при температуре 1450°С.
Для получения композиционной керамики на основе карбида кремния использовали SiC марки Б-120 с средним размером зерен 100 мкм, порошки с размером частиц 50 мкм и нанодисперсные порошки эвтектических составов в системах А12О3-ТЮ2-БЮ2, при содержании, мас.: А12О3 - 8,2%, ТЮ2 -12,.4 и БЮ2 - 79,4%. Температура плавления этой эвтектики - 1480°С.
Порошок добавки эвтектического состава А12О3-ТЮ2-БЮ2 получали термолизом гомогенной шихты с учетом потери при прокаливании из смеси гидроксида алюминия, диоксида кремния и диоксида титана при температуре 1100°С. Компоненты композиции - зернистые порошки карбида кремния и субмикронный порошок эвтектики смешивали в этаноле на валковой мельнице с применением барабанов из А12О3 и шаров из корунда в течение 4 ч. Полученную суспензию сушили при температуре 70°С в течение 4 ч в сушильном шкафу, а высушенный порошок пропускали через сито 300 меш с размером ячейки ~140 мкм. После этого компоненты композиционного материала дополнительно перемешивали в сухую на валковой мельнице в тефлоновых барабанах. Составы композиций приведены в таблице 1. При этом в порошке БЮ соотношение крупной фракции к мелкой возрастало незначительно от 1,51 до 1,55.
Таблица 1. Составы композиций карбид кремния-эвтектическая добавка
№ сотава Концентрация исходных компонентов, мас.%
БЮ (100 мкм) SiC (50 мкм) АЬ03-ТЮ2-8Ю2
1 59,5 39,5 1
2 58,5 38,5 3
3 57,5 37,5 5
4 56,5 36,5 7
Для приготовления формовочной массы в качестве временной технологической связки применяли водный 5-ти % раствор поливинилового спирта в количестве 7% от массы шихты. Раствор поливинилового спирта добавляли небольшими порциями к сухой смеси компонентов при непрерывном перемешивании. Из полученной формовочной массы прессовали образцы в виде балочек размером 40*6*5 мм, давление прессования - 200 МПа. После прессования заготовки сушили в
сушильном шкафу при 80-100°С в течение 4 ч, затем обжигали на воздухе в печи с нагревателями из хромита лантана. Образцы нагревали до температуры обжига: до 1450°С со скоростью 200°С/ч. Во всех случаях время выдержки при максимальной температуре составляло 2 ч. Свойства образцов керамики приведены в таблице 2.
Определение открытой пористости, средней плотности и предела прочности при изгибе спеченных образцов проводили по методикам [3, 4].
Таблица 2. Свойства образцов керамики, обожженной при 1450^
Состав Давление прессования, (МПа) Плотность, (г/см3) Пористость, (%) Прочность при изгибе, (МПа)
БЮ + 1 мас.% АЬ03-ТЮ2-8Ю2 200 2,25 20 46
БЮ + 3 мас.% АЬ03-ТЮ2-8Ю2 200 2,33 16 52
БЮ + 5 мас.% АЬ03-ТЮ2-8Ю2 200 2,42 10 55
БЮ + 7 мас.% АЬ03-ТЮ2-8Ю2 200 2,46 10 68
Следует отметить, что добавка эвтектического состава в системе А1203-ТЮ2-БЮ2 оказалась достаточно эффективной для упрочнения керамики из зернистого карбида кремния после обжига на воздухе даже при температуре обжига 1450°С. Повышение содержания добавок А1203-ТЮ2-БЮ2 с 1 до 7 мас.% приводило к росту плотности образцов с 2,25 до 2,46 г/см3, соответственно.
Введение добавки системы А1203-ТЮ2-БЮ2 позволило получить достаточно плотный материал. Синтезированная керамика из зернистого карбида кремния имела прочность при изгибе до 68 ±5 МПа, открытую пористость 9,6% при давлении прессования 200 МПа. На рисунке 1 показаны сколы образцов, содержащих минимальное и максимальное количество добавок эвтектического состава.
Рисунок 1. РЭМ - фотографии микроструктуры композита на основе зернистого карбида кремния, обжиг при температуре 1450°С с выдержкой 2 ч: (а) - 1% добавки; (б) - 7% добавки
Образцы содержат достаточно много открытых пор и после обжига практически не имеют усадки. Заметного химического взаимодействия эвтектических добавок с кристаллами БЮ не обнаружено. Для повышения прочности можно увеличить содержание добавки.
Список литературы
1. Практикум по технологии керамики / Под ред. И.Я. Гузмана. М.: ООО РИФ «Стройматериалы», 2004. 195 с.
2. Лукин Е.С., Андрианов Н.Т. Технический анализ и контроль производства керамики. М.: Стройиздат, 1986. 272 с.
