CC BY
13
УДК 546.05, 666.3-16, 535.8
Педченко М.С., Сенина М.О., Лемешев Д.О.
СИНТЕЗ КЕРАМИКИ ИЗ АЛЮМОМАГНЕЗИАЛЬНОЙ ШПИНЕЛИ СО СПЕКАЮЩЕЙ ДОБАВКОЙ
Педченко Мария Сергеевна, обучающийся группы МН-14 кафедры химической технологии керамики и огнеупоров факультета ТНВиВМ
Сенина Марина Олеговна, аспирант 4 года кафедры химической технологии керамики и огнеупоров факультета
ТНВиВМ, e-mail: snnmarina@rambler.ru
Лемешев Дмитрий Олегович, декан факультета ТНВиВМ
Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева, Москва, Россия
125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
Рассмотрена актуальность разработки технологии создания прозрачной керамики на основе алюмомагниевой шпинели. Методом обратного соосаждения 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 MAGNESIUM ALUMINATE SPINEL CERAMIC WITH SINTERING ADDITIVE
Pedchenko M.S., Senina M.O., Lemeshev D.O.
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 reverse co-precipitation. 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 (ГП) 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 Модуль упругости, ГПа Плотность, г/см3 Температура плавления, К
Алон 300 323 3,68 2425
Сапфир 700 345-386 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 - А1203
Получение прозрачной керамики невозможно при несоблюдении многих факторов. Одним из требований при создании прозрачного керамического материала является его монофазность, наличие же второй 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 без приложения давления, которое является более энергоэффективным.
В настоящей работе исследовалось спекание керамики из алюмомагниевой шпинели в вакууме. Исходными компонентами являлись магний азотнокислый 6-водн. по ГОСТ 11088-75, алюминий азотнокислый 9-водн. по ГОСТ 3757-75, литий фтористый по ТУ 6-09-3529-78, аммиак водный по ГОСТ 24147-80.
Предварительный синтез порошка MgAl204 осуществлялся методом обратного соосаждения нитратов магния и алюминия в раствор осадителя с последующей термообработкой.
По данным рентгенофазового анализа основной фазой полученного порошка является алюмомагниевая шпинель. Наблюдается также присутствие оксида алюминия и оксида магния (рис. 2).
Структура порошка шпинели изображена на рис. 3. Порошок содержит частицы размером от 1 до 10 мкм. Порошок с данным распределением частиц по размерам может быть применен для синтеза прозрачной керамики.
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 фторид лития, который образует на начальных стадиях процесса расплав и тем самым интенсифицирует жидкофазное спекание, а при повышении температуры испаряется.
ЫБ в количестве от 0,5 до 3,5 мас.% 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 вакууме при температуре 1650 °С с выдержкой при максимальной температуре 3 ч.
.........!■.........:......... .........
........................... :
_________ ______
\ I
\........}........ ...... _________ ......... 4- .1 1
1
1-1Т9*э91пв :
! ! 1
! ! : : 1........J......... 1 .........1,...,
! ! 1 . 1
1а 1 0 20.3 25.0 2-С .0 35 1 .0 40.а 45 0 » 1 0 55.0
Рис.2 - Рентгенофазовый анализ полученного порошка
Полученные образцы обладают высокими значениями открытой пористости (минимальное значение - 26,2 %), что не позволяет достигать прозрачности изделия.
открытой пористости (26,2 %) и низким значением средней плотности (2,52 г/см3) для создания прозрачной керамики, целесообразным является рассмотрение влияния более высокой концентрации данной спекающей добавки на свойства изделий.
Ж
SEM HV: 1S.0 hV WD; 14.99 mm
View field: 11.» pm Det: SE 2 pm
SEM MAC; 31,8 hx «/20/18
Рис.3 - Фотография микроструктуры полученного порошка
Таким образом, можно сказать, что метод гетерофазного совместного осаждения перспективен для получения дисперсного порошка алюмомагниевой шпинели, пригодного для создания прозрачной керамики, следует отметить, что негативным фактором является присутствие фаз оксида алюминия и оксида магния в порошке шпинели. Способ спекания в вакууме позволяет получать плотную керамику с высоким светопропусканием. Изучено влияние испаряющейся добавки фторида лития на свойства керамики на основе алюмомагниевой шпинели. Увеличение концентрации LiF с 0,5 до 3,5 мас. % позволяется получать более плотный материал. Однако, полученная керамика обладает высоким значением
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 1833-00507.
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.
