CC BY
27
УДК 546.05, 666.3-16, 535.8
Сенина М.О., Лихачева Е.С., Бойко А.В., Педченко М.С., Лемешев Д.О.
СИНТЕЗ КЕРАМИКИ ИЗ АЛЮМОМАГНЕЗИАЛЬНОЙ ШПИНЕЛИ СО СПЕКАЮЩЕЙ ДОБАВКОЙ
Сенина Марина Олеговна, аспирант 3 года кафедры химической технологи керамики и огнеупоров, e-mail: snnmarina@rambler.ru
Лихачева Елена Сергеевна, обучающийся группы Н-46 кафедры химической технологи керамики и огнеупоров Бойко Алена Викторовна, обучающийся группы Н-46 кафедры химической технологи керамики и огнеупоров Педченко Мария Сергеевна, обучающийся группы ЗДО-51 кафедры химической технологи керамики и огнеупоров
Лемешев Дмитрий Олегович, доцент кафедры химической технологи керамики и огнеупоров Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
Рассмотрена актуальность разработки технологии создания прозрачной керамики на основе алюмомагниевой шпинели. Методом термического синтеза получен прекурсор шпинели. Показано влияние фазового состава порошка шпинели и спекающей добавки на свойства керамики.
Ключевые слова: прозрачная керамика, оптическая керамика, алюмомагниевая шпинель, синтез шпинели, спекающие добавки.
SYNTHESIZING OF CERAMICS OF MAGNESIUM-ALUMINATE SPINEL WITH SINTERING ADDITIVE
Senina M.O., Likhacheva E.S., Boyko A.V., Pedchenko M.S., Lemeshev DO. D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia.
The relevance of the development of technology for creating transparent ceramics based on aluminum magnesium spinel were considered. The spinel precursor has been obtained by the method of thermal synthesis. The influence of the phase composition of the spinel powder and the sintering additive on the properties of ceramics is shown.
Key words: transparent ceramics, optical ceramics, magnesium-aluminate spinel, spinel synthesis, sintering additives.
В современных технологиях все больше внимания уделяется проблеме создания материалов, которые обладают целым комплексом функциональных свойств. В частности, интерес представляют материалы броневого назначения, в которых помимо высоких механических характеристик необходима частичная или полная прозрачность в заданном диапазоне спектра. Актуальным является направление развития технологии керамических броневых изделий. В данном направлении на настоящий момент достаточно хорошо изучены технологии создания оптически прозрачной керамики из оксинитрида алюминия и поликристаллического оксида алюминия.
Вышеуказанная керамика обладает высокими эксплуатационными показателями (табл. 1), однако технология ее изготовления является энергозатратной и дорогостоящей, так как для получения требуется использования процессов горячего прессования (ГЦ) и горячего изостатического прессования (ГИП) при высоких температурах.
На сегодняшний день прозрачная поликристаллическая керамика на основе алюмомагнезиальной шпинели (АМШ) является одним из наиболее перспективных материалов для изготовления прозрачной брони.
Таблица 1 - Физические свойства некоторых керамических материалов [1].
Материал Прочность, МПа Твердость по Кнуппу, кг/мм2 Модуль упругости, ГПа Плотность, г/мл Температура плавления, К
Алон 300 1950 323 3,68 2425
Сапфир 700 1500-2200 345-386 3,98 2300
Алюмомагнезиальная шпинель - бинарное термодинамически устойчивое соединение с кубической кристаллической структурой. Она имеет высокий уровень светопропускания в обширном диапазоне излучений с длиной волны от 180 до 5000 нм, который включает 3 области: ультрафиолетовую (180-400 нм); видимую (400-700 нм) и инфракрасную (740-5000 нм). Шпинель имеет заметное преимущество по сравнению с поликристаллическим сапфиром и АЮК в диапазоне 4500-5500 нм, области, которая имеет особое значение для поисковых систем и систем электрооптической визуализации. Также шпинель обладает высокой термостойкостью, химической стойкостью по отношению к агрессивным средам, температурой плавления выше 2100°С. [2, 3]. Кроме того, керамика из MgAl2O4 имеет значительное преимущество перед АЮК вследствие большей доступности исходных порошков и меньшей температуры горячего изостатического прессования, в процессе которого происходит спекание [4].
При синтезе шпинели с повышением температуры выше 1000 °С состав шпинелей существенно меняется. Возникает так называемая у-нестехиометрия: алюмомагниевая шпинель обогащается довольно значительным избытком А1203 [5]. Оксид алюминия обладает хорошей растворимостью в алюмомагниевой шпинели с образованием широкого ряда твердых растворов от Mg0•Al20з до Mg0•5Al20з (рис. 1) [6].
Рис.1 - Фазовая диаграмма системы MgO•Al2Oз - Л12Оз
керамического материала является его монофазность, наличие же посторонней фазы влечет за собой отсутствие высокого уровня светопропускания в виду различия показателей преломления разных фаз и рассеяния света.
Однако, авторами работы [7] показано получение прозрачной керамики из алюмомагниевой шпинели с избытком оксида алюминия (М§0-пА1203, п = 1,05-2,5). Светопропускание составило 84%. Следует отметить, что в данной работе применялось горячее изостатическое прессование.
Альтернативой процессам ГП и ГИП является спекание в вакууме, которое является более энергоэффективным.
В настоящей работе исследовалось спекание керамики из алюмомагниевой шпинели в среде вакуума.
Исходными материалами являлись карбонат магния , гидроксид алюминия и оксид бора.
Предварительный синтез порошка MgAl204 осуществлялся методом термического синтеза из смеси карбоната магния и гидроксида алюминия при температуре 1200 °С.
По данным рентгенофазового анализа основной фазой полученного порошка является алюмомагниевая шпинель. Наблюдается также присутствие оксида алюминия в фазе корунда (рис. 2).
Данные РФА подтверждаются фотографиями микроструктуры порошка, на которых видно присутствие гексогональных кристаллов А1203 (рис.
3).
Спекание керамики из алюмомагниевой шпинели до практически беспористого состояния, что также является обязательным для получения прозрачного материала, невозможно без применения спекающих добавок. В качестве такой добавки был выбран оксид бора, который образует на начальных стадиях расплав и тем самым интенсифицирует процесс жидкофазного спекания, а при повышении температуры испаряется.
Рис.2 - Рентгенофазовый анализ полученного порошка
Получение прозрачной керамики невозможно при несоблюдении многих факторов. Одним из требований при создании прозрачного
В203 в количестве 5 масс.% вводили в шихту сухим способом в планетарной мельнице в течение 0,5 ч.
Заготовки керамики формовали методом полусухого прессования при давлении 100 МПа. Обжиг производился в среде вакуума при температуре 1650 °С в течение 3 ч.
Рис.3 - Фотография микроструктуры полученного порошка
Полученные образцы обладают высокими значениями открытой пористости (26,5 %), что не позволяет достигать прозрачности изделия.
Таким образом, можно сказать, что наличие избытка оксида алюминия в порошке шпинели не позволяет получать прозрачную керамику при применении процесса вакуумного спекания.
Литература
1. Suárez, М. Sintering to transparency of polycrystalline ceramic materials / М. Suárez, А. Fernández-Camacho, R. Torrecillas, J. L. Menéndez // Sintering of Ceramics - New Emerging Techniques. - 2012. - р. 527-552.
2. Л.Т. Павлюкова, Е.С. Лукин, Н.А. Попова. Прозрачная керамика из алюмомагнезиальной шпинели // Тезисы докладов «VII конкурс проектов молодых ученых». 2013. с. 28-29.
3. Г.А. Выдрик, Т.В. Соловьева, Ф.Я. Харитонов. Прозрачная керамика // М.: Энергия. 1980. С. 97.
4. Легкие баллистические материалы. Под ред. Бхатнагара А. - М.: «Техносфера». - 2011. - 392 с.
5. Ковтуненко П.В. Влияние у-нестехиометрии на обращение шпинели. Стекло и керамика. 1997. №8. С. 12 - 17.
6. Panda P. C., Raj R. Kinetics of Precipitation of a-Al2O3 in Polycrystalline Supersaturated MgO 2Al2O3 Spinel Solid Solution / Journal of the American Ceramic Society. - 1986. - Vol. 69. -№5. - р. 365-373.
7. Hana D. Preparation of high-quality transparent Al-rich spinel ceramics by reactive sintering / Hana D., Zhanga J., Liud P., Lia G., Ane L., Wanga S. // Ceramics International. - 2018. - Vol. 44. - №3. - р. 3189-3194.
