ВЛИЯНИЕ ДОБАВКИ AL2O3·MGO НА ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КЕРАМИКИ ИЗ MOSI2 Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 666.3, 666.3.022.69, 666.016.2 Данилин К.Д., Сенина М.О., Титов Д. Д.

ВЛИЯНИЕ ДОБАВКИ АЮз-MgO НА ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КЕРАМИКИ ИЗ MoSi2

Данилин Кирилл Дмитриевич - магистрант 1-го года обучения кафедры химической технологии керамики и огнеупоров; [email protected].

Сенина Марина Олеговна - кандидат технических наук, ассистент кафедры химической технологии керамики и огнеупоров; ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.

Титов Дмитрий Дмитриевич - кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории физико-химического анализа керамических материалов; ФГБУН «Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова» РАН, Россия, Москва, 119334, Ленинский пр-кт, д. 49

В работе проведено исследование влияния добавки AhOs MgO, полученной новым способом из керамообразующих олигомеров. Керамические образцы были получены горячим прессованием дисилицида молибдена с 1, 3, 5 мас. % добавки при 1650 °С и 30 МПа. Приведены зависимости плотности, прочности и удельного электрического сопротивления от содержания добавки алюмомагниевой шпинели. Было показано, что введение добавки приводит к росту прочности при изгибе с максимумом для состава с 5 мас. % добавки. Удельное электрическое сопротивление практически не изменяется с ростом содержания добавки. Ключевые слова: керамика, дисилицид молибдена, алюмомагниевая шпинель, горячее прессование

EFFECT OF AhOs-MgO ADDITIVE ON THE PHYSICAL AND CHEMICAL PROPERTIES OF MoSii

Danilin K.D.12, Senina M.O.1, Titov D.D.2

1 D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Russian Federation, Moscow

2A.A. Baykov Institute of Metallurgy and Material Science, Russian Academy of Sciences, Russia, Moscow

This paper presents studies of the effect of the AhOsMgO additive obtained by a new methodfrom ceramic-forming oligomers. Ceramic samples were obtained by hot pressing of molybdenum disilicide with 1, 3, 5 wt.% of the additive and sintered at 1650 °C and 30 MPa. Graphs of the dependence of the density, strength, and electrical resistivity on the content of the aluminum-magnesium spinel additive are presented. It was shown that the introduction of the additive leads to an increase in flexural strength with a maximum for a composition with 5 wt.% of the additive. The electrical resistivity does not change with the increasing content of the additive. Key words: ceramics, molybdenum disilicide, alumomagnesium spinel, hot pressing

Введение

Современные производственные процессы происходят в печах при высоких температурах, для создания и поддержания необходимой температуры в производственных агрегатах в течение длительного срока службы, используют нагреватели из карбида кремния или дисилицида молибдена. Однако нагреватели из БЮ более низкой рабочей температурой, в то время как нагревательные элементы, изготовленные из МоБ12, способны длительное время работать при температуре 1600 -1700 °С в атмосфере воздуха, не разрушаясь. Такому свойству способствует образование пленки из БЮ2 на поверхности нагревателя [1]. Помимо положительных качеств нагревателей из МоБЬ, существует ряд недостатков, препятствующих обширному применению: низкая механическая прочность, а также низкое значение начального электрического сопротивления. Большинство недостатков может быть исправлено с помощью введения добавок. Большинство работ посвящено исследованию влияния неоксидных добавок WSi2 [2], 2гБ2 [3] и другие. Большой интерес представляет использование оксидных добавок и их влияние на

конечные свойства композитов. Авторы работы [4] проводили исследование влияния оксида редкоземельного металла УЬ20э на стойкость к окислению керамического композита на основе MoSi2. Оказалось, что введение 5 мол. % добавки положительно влияет на стойкость к окислению композита и создает более толстую оксидную пленку на поверхности материала. В работе [5] авторы обобщили информацию об использовании различных добавок для дисилицида молибдена. Было отмечено, что введение 0,2 - 1 об. % таких оксидов как Л120з или М§0 не только приводит к улучшению прочностных свойств, но и повышает окислительную стабильность композитов на основе MoSi2. В связи с изученными данными большой интерес представило изучение влияния алюмомагниевой шпинели (Л1203-М§0) на свойства керамики из дисилицида молибдена.

Экспериментальная часть

В качестве исходного сырья в работе был использован высокочистый коммерческий порошок MoSi2 (000 "Плазмотерм", Москва) полученный магнийтермическим восстановлением. В

ГНИИХТЭОС был разработан новый метод синтеза MgAЪO4 из керамообразующего олигомера. Керамообразующие органомагнийоксаналюмоксаны (Al,Mg-олигомер) устойчивы на воздухе и растворимы в органических растворителях. Пиролиз Al,Mg-олигомера приводит к образованию MgAhO4, и может быть использованы для создания термостойкой высокочистой магний-алюминиевой керамики [6].

Порошки смешивали и измельчали в планетарной мельнице в среде изопропанола в течение 2 часов. Измельченные порошки помещали в сушильный шкаф до полного удаления спирта. Сырцы готовили одноосным двусторонним прессованием (200 МПа) в стальной пресс-форме диаметром 25 мм. Плотные керамические образцы получали горячим прессованием в графитовой пресс-форме при температуре 1650 °С в течение 30 минут в среде аргона с максимальным нагружением 30 МПа. Плотные керамические образцы диаметром 25 мм и высотой ~ 5 мм распиливали прецизионной пилой на балочки размером 20 х 5 х 5 мм.

На балочках проводили последующие физико-механические исследования:

1) Плотность изучали методом насыщения тела жидкостью и последующим гидростатическим взвешиванием. В качестве жидкой фазы использовали дистиллированную воду.

2) Прочность при трехточечном изгибе изучали с помощью машины для механических исследований (^шп 5581, иК)

3) Удельное электрическое сопротивление измеряли четырех-зондовым методом пропусканием электрического тока в интервале от 0,1 до 1А (с шагом 0,1А) сначала со знаком «+», затем со знаком «-». Конечное значение напряжения рассчитывали по формуле:

и, +и_

Результаты и их обсуждения

Проведенные исследования представлены на рисунке 1.

плотности

Плотность,

г/см3

6.2

5.6 ■

Содержание добавки, мас.%

Рисунок 1. Зависимость плотности керамических образцов от содержания добавки Al2Oз-MgO

Показано, что увеличение содержания добавки Al2Oз•MgO ведет к увеличению плотности

керамических образцов. Максимальная плотность образцов достигается при содержании добавки 5 мас.% и составляет 5,99 г/см3.

Изучение влияния содержания добавки алюмомагниевой шпинели на прочность при изгибе показало, что происходит линейное возрастание значения прочности при изгибе (рис. 2). Максимальное значение прочности наблюдалось в образце моб12 + 5 мас.% и составило 62 МПа. Такие значения в разы ниже прочности чистого дисилицида молибдена (200 МПа) [7], такое явление может быть связано с образованием дефектной структуры. Увеличение содержания добавки приводит к постепенному залечиванию дефектов, что повышает прочность изученных образцов.

Прочность. МПа

70 *

65 60 55 50 45 40 35 30 25 20

1% 3% 5%

Содержание добавки, мае. %

Рисунок 2. Зависимость прочности при трехточечном изгибе от содержания добавки АЬОзМО

Хорошая электрическая проводимость является отличительной особенностью дисилицидов, чистый дисилицид молибдена имеет значение проводимости равное 26 мкОмсм [1]. Удельное электрическое сопротивление полученных композитов практически не изменяется с увеличение содержания добавки алюмомагниевой шпинели (рис. 3). Такое явление может быть связано с тем, что в процессе спекания наноразмерный порошок кубической шпинели заполняет определенное количество пустот, что приводит к увеличению числа контактов зерен дисилицида молибдена.

26,8 26.6 26.4 26.2 26 25.8 25.6 25.4

Удельное электрическое сопротивление, мкОмсм

1% 3%

Содержание добавки мае. %

Рисунок 3. Зависимость удельного электрического сопротивления от содержания добавки Al2Oз■MgO

Выводы

Совместно с ГНЦ РФ «ГНИИХТЭОС» был получен композит MoSi2 со спекающей добавкой алюмомагниевой шпинели Лl20з■Mg0 от 1 до 5 мас. % получены плотные керамические образцы. Проведенные исследования плотности и прочности показали, что увеличение содержания добавки ведет к улучшению механических характеристик, это может быть связано с постепенным залечиванием дефектов керамики за счёт заполнения и более равномерного распределения добавки по всему композиту. Удельная электрическая проводимость практически не изменялась во всем интервале концентраций добавки, что можно связать с несколькими факторами. С одной стороны, диэлектрический эффект добавки Л1203■Mg0 снижает удельное электрическое сопротивление, однако, параллельно происходит уплотнение материала, что приводит к увеличению значений данного параметра.

Список литературы 1. Самсонов Г. В., Дворина Л. А., Рудь Б. М. Силициды //Металлургия, М. - 1979

2. Титов Д. Д. и др. Новые композиционные материалы на основе дисилицида молибдена // Перспективные материалы. - 2011. - №. 11. - С. 493500.

3. Tong Z. et al. High temperature oxidation behavior of ZrB2-SiC added MoSi2 ceramics // Ceramics International. - 2018. - Т. 44. - №. 17. - С. 21076-21082.

4. Pan X. et al. Effect of Yb2O3 addition on oxidation/ablation behaviors of ZrB2-MoSi2 composite coating under different environment // Corrosion Science. - 2020. - Т. 175. - С. 108882.

5. Большакова А. Н. и др. Дисперсноупрочненные композиционные материалы на основе молибдена (обзор) //Новости материаловедения. Наука и техника. - 2018. - №. 3-4. - С. 3-3.

6. Shcherbakova G.I., Pokhorenko A.S. et al. // Rus. J. Inorg. Chem. 2021. V.66. №.1. P.25.

7. Падерно В. Н. и др. Композиционные материалы на основе дисилицида молибдена с повышенной прочностью //Современные проблемы физического материаловедения. - 2011.