CC BY
6Научная статья
УДК 54.057 + 666.3.016
doi:10.37614/2949-1215.2023.14.4.023
СИНТЕЗ И СВОЙСТВА ОКСИДОВ АЛЮМИНИЯ И ИТТРИЯ ДЛЯ КЕРАМООБРАЗУЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ
Кирилл Андреевич Яковлев1, Дмитрий Владимирович Майоров2
12Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья имени И. В. Тананаева Кольского научного центра Российской академии наук, Апатиты, Россия [email protected], https://orcid.org/0000-0002-3338-1802 [email protected], https://orcid.org/0000-0002-7787-7455
Аннотация
Представлены результаты исследований по изучению физико-химических основ синтеза керамообразующих материалов — оксидов алюминия и иттрия — с заданными формой, размером, примесным и фазовым составами методами гидротермального синтеза. Показано влияние прекурсора на физико-химические свойства получаемой шихты алюмооксидной керамики. Ключевые слова:
гидратированный оксид алюминия, гидроксокарбонат алюминия-аммония, ЫЬЦ-давсонит, двойной карбонат иттрия-аммония, иттрий-алюминиевый гранат, слоистый двойной гидроксид магния и алюминия Благодарности:
государственное задание по теме научно-исследовательской работы № FMEZ-2022-0015. Для цитирования:
Яковлев К. Я., Майоров Д. В. Синтез и свойства оксидов алюминия и иттрия для керамообразующих материалов // Труды Кольского научного центра РАН. Серия: Технические науки. 2023. Т. 14, № 4. С. 134-138. doi:10.37614/2949-1215.2023.14.4.023
Original article
SYNTHESIS AND CHARACTERISTICS OF ALUMINA AND YTTRIA FURNACE CHARGE Kirill A. Yakovlev1, Dmitriy V. Mayorov2
12I. V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences, Apatity, Russia [email protected], https://orcid.org/0000-0002-3338-1802 [email protected], https://orcid.org/0000-0002-7787-7455
Abstract
Effect of hydroxide precursor nature on the morphology of alumina derived by heat treatment of ammonium aluminium carbonate hydroxide NH4AlCO3(OH)2 was investigated. It was found that the use of aluminum hydroxide as the precursor leads to the formation of needle-like particles of the product, while during synthesis using hydrated alumina, alumina particles of isometric shape were obtained. The effect of ammonia sulfate (NH4)2SO4 on the BET surface area of ammonium aluminium carbonate hydroxide powders was shown. Keywords:
hydrated alumina, ammonium aluminium carbonate hydroxide, NH4-dawsonite, ammonium yttrium double carbonate, yttrium aluminium garnet, layered double hydroxide of magnesium and aluminum Acknowledgments:
state task on the topic of research No. FMEZ-2022-0015. For citation:
Yakovlev K. A., Mayorov D. V. Synthesis and characteristics of alumina and yttria furnace charge // Transactions of the Ко1а Science Centre of RAS. Series: Engineering Sciences. 2023. Vol. 14, No. 4. P. 134-138. doi:10.37614/2949-1215.2023.14.4.023
Введение
Принято считать, что на сегодняшний день в России отсутствует промышленный выпуск высокочистого тонкодисперсного оксида алюминия, удовлетворяющего требованиям производства высокотехнологичной (электротехнической, конструкционной и т. д.) керамики [1, 2]. Вместе с тем,
монофазный оксид алюминия (> 99 % a-AhO3) высокой химической чистоты (содержание AhO3 > 99,9 % мас.) с дисперсным составом в пределах 1^5 мкм и насыпной плотностью 95^98 % от физической востребован в производстве оптической, электрической и конструкционной керамики [3, 4].
Одним из перспективных путей решения данной проблемы может быть вовлечение в переработку по ранее предложенной сернокислотной технологии нефелинового концентрата в качестве алюминиевого сырья [5]. Получаемые по данному методу алюмоаммониевые квасцы (ААК) могут быть использованы в качестве прекурсора оксида алюминия, однако такие физико-химические свойства последнего, как дисперсный состав и морфология, будут зависеть от условий кристаллизации ААК, а среди примесей всё ещё будет присутствовать значительное содержание щелочных элементов и сульфат-иона. В этом случае с точки зрения решения задачи получения высокочистого оксида алюминия рационально его получение через применение дополнительной стадии синтеза промежуточного соединения — гидроксокарбоната алюминия-аммония (ammonium aluminum carbonate hydroxide, AACH) [6, 7], так как, помимо более глубокой очистки от примесей, в этом случае становится возможным регулирование дисперсного и морфологического составов продукта, что подтверждается данными работ [8-10].
Исследования, проведенные в данном направлении, показали, что синтез AACH может быть выполнен из гидратированного оксида алюминия (ГОА) полученного методом твердофазной аммонизации ААК [11, 12]. Последующая термообработка AACH, синтезированного из ГОА, при температуре 1000 °C приводит к образованию субмикронных частиц a-Al2O3 изометрического габитуса (рис. 1), в отличие от образцов, полученных в аналогичных условиях из гиббсита и байерита [13]. Методом атомной-абсорбционной спектрометрии (AAnalyst 400) было установлено, что содержание суммы щелочных элементов (в пересчете на оксиды Na2O + K2O) в получаемом a-AhO3 не превышает 0,02 % мас., что позволяет считать синтезированный корунд достаточно качественным для получения высокотехнологической керамики [14].
Подобным образом может быть получен и оксид иттрия: с помощью гидротермального синтеза и термообработки такого соединения, как двойной карбонат иттрия-аммония NHY(CO3)2H2O [15]. Кроме того, поскольку синтез AACH и NHY(CO3)2H2O происходит в схожих условиях, становится возможным получение прекурсоров шихты иттрий-алюминиевого граната (Y3AbOi2, YAG), обладающей малым размером частиц (рис. 2) и температурой кристаллизации 929 °C, протекающей исключительно по пути образования монофазного YAG (рис. 3) [16].
Рис. 1. СЭМ-изображение а-А12О3, полученного Рис. 2. СЭМ-изображение продуктов прокаливания термообработкой AACH [13] смеси двойных аммониевых карбонатов алюминия
и иттрия [16]
Выводы
Представленные результаты демонстрируют эффективность использования двойных карбонатных прекурсоров для получения как индивидуальных оксидов алюминия и иттрия, так и смеси благодаря
© Яковлев К. А., Майоров Д. В., 2023
формированию последних в виде субмикронных частиц, совместная термообработка которых позволяет синтезировать монофазный YAG.
Рис. 3. Дифрактограмма продуктов прокаливания смеси двойных аммониевых карбонатов алюминия и иттрия [16]
Список источников
1. Семенов Е. А. Разработка физико-химических основ получения наноразмерных порошков оксидов и гидроксида алюминия (бемита): дис. ... канд. хим. наук.: 02.00.04 / Институт общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова. М., 2019. C. 194.
2. Абызов А. М. Оксид алюминия и алюмооксидная керамика (Обзор). Ч. 3. Российские производители алюмооксидной керамики // Новые огнеупоры. 2019. № 4. С. 20-28.
3. Мызь А. Л., Карагедов Г. Р., Ляхов Н. З. Оценка отечественных глиноземов в качестве сырья для конструкционной керамики // Стекло и керамика. 2016. Т. 89, № 2. С. 34-38.
4. Бакунов В. С., Лукин Е. С. Особенности технологии высокоплотной технической керамики. Подготовка полуфабриката для спекания // Стекло и керамика. 2008. № 6. С. 18-23.
5. Захаров В. И., Матвеев В. А., Майоров Д. В. Изучение влияния технологических параметров кислотного разложения нефелина на фильтруемость выделяющихся кремнеземных осадков // Журнал прикладной химии. 1996. Т. 69, вып. 3. С. 365-369.
6. Матвеев В. А., Майоров Д. В. Получение оксида алюминия с низким содержанием примесей на основе переработки алюмоаммониевых квасцов, выделенных из нефелина // Цветные металлы. 2018. № 11. С. 45-50. doi: 10.17580/tsm.2018.11.06
7. Матвеев В. А., Яковлев К. А. Получение мелкодисперсного оксида алюминия на основе продуктов сернокислотной переработки нефелина // Химическая технология. 2021. Т. 22, № 10. С. 434-443. doi:10.31044/1684-5811-2021-22-10-434-443
8. Yadian Xie, Duygu Kocaefe, Yasar Kocaefe, Johnathan Cheng, Wei Liu. The Effect of Novel Synthetic Methods and Parameters Control on Morphology of Nano-alumina Particles // Nanoscale Research Letters. 2016. V. 11, No. 1. P. 1-11. doi: 10.1186/s11671-016-1472-z
9. Robin Lafficher, Mathieu Digne, Fabien Salvatori, MalikaBoualle, Didier Colson, Francois Puel. Ammonium aluminium carbonate hydroxide NH4Al(OH)2CO3 as an alternative route for alumina preparation: Comparison with the classical boehmite precursor // Powder Technology. 2017. V. 320. P. 565-573. doi: 10.1016/j.powtec.2017.07.080
10. Xiao Fu Hu, Yun Qi Liu, Chen Guang Liu, Zhe Tang Effect of Anions during a Solid-state Reaction Preparation of Ammonium Aluminum Carbonate Hydroxide // Proceedings of 2012 International Conference on Mechanical Engineering and Material Science (MEMS 2012). 2012. Atlantis press. P. 557-559.
11. Яковлев К. А., Майоров Д. В. Изучение фазообразования при гетерогенном синтезе гидроксокарбоната алюминия-аммония // Труды Кольского научного центра. Химия и материаловедение. Вып. 5. 2021. Т. 11, № 2. С. 291-295. doi: 10.37614/2307-5252.2021.2.5.058
12. Матвеев В. А. Особенности фазовых превращений аморфного гидроксида алюминия, полученного аммонизацией алюмокалиевых квасцов // Химическая технология. 2008. Т. 81, № 8. С. 1253-1257.
13. Яковлев К. А., Майоров Д. В. Влияние природы гидроксидного прекурсора на морфологию порошков AI2O3 // Труды Кольского научного центра РАН. Серия: Технические науки. Вып. 6. 2022. Т. 13, № 1. С. 289-292.
14. Яковлев К. А., Майоров Д. В. Синтез Al2O3 с пониженным содержанием примесей щелочных элементов // Труды Кольского научного центра РАН. Серия: Технические науки. Вып. 6. 2022. Т. 13, № 1. С. 293-297.
15. Матвеев В. А., Яковлев К. А., Кузнецов В. Я., Залкинд О. А. Синтез и свойства карбоната иттрия-аммония // Неорганические материалы. 2020. Т. 56, № 12. С. 1328-1335. doi: 10.31857/S0002337X20110081
16. Матвеев В. А., Яковлев К. А. Синтез иттрий-алюминиевого граната на основе двойных аммонийсодержащих карбонатных соединений иттрия и алюминия // Стекло и керамика. 2021. № 2. С. 37-42.
References
1. Semenov E. A. Razrabotka fiziko-himicheskih osnov poluchenija nanorazmernyh poroshkov oksidov i gidroksida aljuminija (bemita): Dis. kand. him. nauk.: 02.00.04. Institut obshhej i neorganicheskoj himii im. N. S. Kurnakova [Development of physico-chemical bases for obtaining nanoscale powders of aluminum oxides and hydroxide (boehmite): thesis of PhD of Chemical Sciences.: 02.00.04 N. S. Kurnakov Institute of General and Inorganic Chemistry]. Moscow, 2019, 194 p. (In Russ.).
2. Abyzov A. M. Oksid aljuminija i aljumooksidnaja keramika (Obzor). Ch. 3. Rossijskie proizvoditeli aljumooksidnoj keramiki [Aluminum oxide and aluminum oxide ceramics (Review). Part 3. Russian manufacturers of aluminum oxide ceramics]. Novye ogneupory [New refractories], 2019, no. 4, pp. 20-28. (In Russ.).
3. Myz' A. L., Karagedov G. R., Ljahov N. Z. Ocenka otechestvennyh glinozemov v kachestve syrja dlja konstrukcionnoj keramiki [Evaluation of domestic alumina as a raw material for structural ceramics]. Steklo i keramika [Glass and ceramics], 2016, vol. 89, no. 2, pp. 34-38. (In Russ.).
4. Bakunov V. S., Lukin E. S. Osobennosti tehnologii vysokoplotnoj tehnicheskoj keramiki. Podgotovka polufabrikata dlja spekanija [Features of the technology of high-density technical ceramics. Preparation of semi-finished product for sintering]. Steklo i keramika [Glass and ceramics], 2008, no. 6, pp. 18-23. (In Russ.).
5. Zaharov V. I., Matveev V. A., Majorov D. V. Izuchenie vlijanija tehnologicheskih parametrov kislotnogo razlozhenija nefelina na fil'truemost' vydeljajushhihsja kremnezemnyh osadkov [Study of the influence of technological parameters of acid decomposition of nepheline on the filterability of released silica precipitates]. Zhurnal prikladnoj himii [Journal of Applied Chemistry], 1996, vol. 69, no. 3, pp. 365-369. (In Russ.).
6. Matveev V. A., Majorov D. V. Poluchenie oksida aljuminija s nizkim soderzhaniem primesej na osnove pererabotki aljumoammonievyh kvascov, vydelennyh iz nefelina [Production of aluminum oxide with a low content of impurities based on the processing of aluminum-ammonium alum isolated from nepheline]. Cvetnye metally [Non-ferrous metals], 2018, no. 11, pp. 45-50. doi: 10.17580/tsm.2018.11.06. (In Russ.).
7. Matveev V. A., Jakovlev K. A. Poluchenie melkodispersnogo oksida aljuminija na osnove produktov sernokislotnoj pererabotki nefelina [Production of finely dispersed aluminum oxide based on products of sulfuric acid processing of nepheline]. Himicheskaja tehnologija [Chemical technology], 2021, vol. 22, no. 10, pp. 434-443. (In Russ.). doi: 10.31044/1684-5811-2021-22-10-434-443
8. Xie Ya., Kocaefe D., Kocaefe Y., Cheng J., Liu W. The Effect of Novel Synthetic Methods and Parameters Control on Morphology of Nano-alumina Particles. Nanoscale Research Letters. 2016, vol. 11, no. 1, pp. 1-11. doi: 10.1186/s11671-016-1472-z
9. Lafficher R., Digne M., Salvatori F., Boualle M., Colson D., Puel F. Ammonium aluminium carbonate hydroxide NH4Al(OH)2CO3 as an alternative route for alumina preparation: Comparison with the classical boehmite precursor. Powder Technology, 2017, vol. 320, pp. 565-573. doi: 10.1016/j.powtec.2017.07.080
10. Hu X., Liu Y., Liu C., Tang Z. Effect of Anions during a Solid-state Reaction Preparation of Ammonium Aluminum Carbonate Hydroxide. Proceedings of 2012 International Conference on Mechanical Engineering and Material Science (MEMS 2012), 2012, Atlantis press, pр. 557-559.
11. Jakovlev K. A., Majorov D. V. Izuchenie fazoobrazovanija pri geterogennom sinteze gidroksokarbonata aljuminija-ammonija [Study of phase formation during heterogeneous synthesis of aluminum-ammonium hydroxocarbonate]. Trudy Kol'skogo nauchnogo centra. Serija: Himija i materialovedenie [Transactions of the Kola Science Centre of RAS. Series: Chemistry and Materials Science], 2021, vol. 11, no. 2, issue 5, pp. 291-295. (In Russ.). doi: 10.37614/2307-5252.2021.2.5.058
12. Matveev V. A. Osobennosti fazovyh prevrashchenij amorfnogo gidroksida aljuminija, poluchennogo ammonizaciej aljumokalievyh kvascov [Features of phase transformations of amorphous aluminum hydroxide obtained by ammonization of aluminum-potassium alum]. Himicheskaja tehnologija [Chemical technology], 2008, vol. 81, no. 8, pp. 1253-1257. (In Russ.).
13. Jakovlev K. A., Majorov D. V. Vlijanie prirody gidroksidnogo prekursora na morfologiju poroshkov AhO3 [Influence of the nature of the hydroxide precursor on the morphology of AhO3 powders]. Trudy Kol'skogo nauchnogo centra RAN. Serija: Tehnicheskie nauki. Vyp. 6. [Transactions of the Kola Science Centre of RAS. Series: Technical Sciences. Issue 6], 2022, vol. 13, no. 1, pp. 289-292. (In Russ.).
© Яковлев К. А., Майоров Д. В., 2023
14. Jakovlev K. A., Majorov D. V. Sintez AbO3 s ponizhennym soderzhaniem primesej shchelochnyh jelementov [Synthesis of ALO3 with a reduced content of impurities of alkaline elements]. Trudy Kol'skogo nauchnogo centra RAN. Serija: Tehnicheskie nauki. Vyp. 6. [Transactions of the Kola Science Centre of RAS. Series: Technical Sciences. Issue 6], 2022, vol. 13, no. 1, pp. 293-297. (In Russ.).
15. Matveev V. A., Jakovlev K. A., Kuznecov V. Ja., Zalkind O. A. Sintez i svojstva karbonata ittrija-ammonija [Synthesis and properties of yttrium-ammonium carbonate]. Neorganicheskie materialy [Inorganic materials], 2020, vol. 56, no. 12, pp. 1328-1335. (In Russ.). doi: 10.31857/S0002337X20110081
16. Matveev V. A., Jakovlev K. A. Sintez ittrij-aljuminievogo granata na osnove dvojnyh ammonijsoderzhashchih karbonatnyh soedinenij ittrija i aljuminija [Synthesis of yttrium-aluminum garnet based on double ammonium-containing carbonate compounds of yttrium and aluminum]. Steklo i keramika [Glass and ceramics], 2021, no. 2, pp. 37-42. (In Russ.).
Информация об авторах
К. А. Яковлев — ведущий инженер;
Д. В. Майоров — кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник.
Information about the authors
K. A. Yakovlev — lead engineer;
D. V. Mayorov — Candidate of Technical Sciences, leading researcher.
Статья поступила в редакцию 09.11.2022; одобрена после рецензирования 31.01.2023; принята к публикации 01.02.2023.
The article was submitted 09.11.2023; approved after reviewing 31.01.2023; accepted for publication 01.02.2023.
