CC BY
305
УДК 621.319.4:620.179
ВЛИЯНИЕ СПОСОБА ПОЛУЧЕНИЯ ОКСИДА МАГНИЯ НА МИКРОСТРУКТУРУ ФОРСТЕРИТОВОЙ КЕРАМИКИ
Людмила Борисовна Воробьёва
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат химических наук, доцент кафедры метрологии и технологии оптического производства, тел. (383)361-07-79, e-mail: lbvorobveva@gmail.com
Анна Дмитриевна Зонова
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры метрологии и технологии оптического производства, тел. (383)361-07-45, e-mail: annet-anutka@vandex.ru
Светлана Арсеньевна Степанова
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры метрологии и технологии оптического производства, тел. (383)361-07-79
В статье исследована микроструктура оксида магния, используемого для изготовления функциональной керамики на основе форстерита. Исследован оксид магния, изготовленный по двум разным технологиям, из различного исходного материала. Показано, что большей активностью обладает оксид магния, изготовленный из карналлита методом осаждения из раствора соды с последующей прокалкой при температуре 600 °С -700 °С.
Ключевые слова: оксид магния, размер частиц, дефектность частиц, активность оксида магния, форстеритовая керамика, спаиваемость с металлами.
INFLUENCE OF MAGNESIUM OXIDE METHOD FOR PRODUCING MICROSTRUCTURE FORSTERITE CERAMICS
Ludmila B. Vorobyeva
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., candidate of the chemical sciences, docent, department of metrology and technology of the optical production, 630108, Novosibirsk, Plachotnogo 10, tel. (383)361-07-79, е-mail: lbvorobyeva@gmail.com
Anna D. Zonova
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., candidate of the technical sciences, senior teacher, department of metrology and technology of the optical production, tel. (383)361-07-45, e-mail: annet-anutka@yandex .ru
Svetlana A. Stepanova
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., candidate of the technical sciences, docent, department of metrology and technology of the optical production, tel. (383)361-07-79
In article investigated the microstructure of the magnesium oxide used to form the functional ceramic based forsterite. Investigated magnesium oxide produced according to two
different technologies, from various starting materials. Shown that greater activity has magnesium oxide produced from carnallite by precipitation from a solution of baking soda followed by calcinations at 600 °C - 700 °C.
Key words: magnesium oxide, particle size, particle defects, active magnesium oxide, forsterite ceramics, junction of metals.
Функциональный керамический материал на основе форстерита известен давно, но до сих пор применяется для подложек, интегральных схем, плёночных резисторов, в качестве деталей металло-керамической оболочки. Форстеритовая керамика является одним из важных классов керамических материалов для электротехнической и электронной техники. К данному типу керамики предъявляются высокие требования как по качеству функциональных свойств и их стабильности, так и по выходу готовой качественной продукции: диэлектрические характеристики, коэффициент термического расширения, механическая прочность, способность к спаиванию с металлами [1].
Форстерит - ортосиликат магния (2MgOSiO2), не имеющий полиморфных форм и модификационных превращений. Он является конечным членом оливинового ряда твёрдых растворов.
Основными сырьевыми материалами при изготовлении форстеритовых керамических материалов являются тальк и оксид магния [2]. Кроме того, в шихтовой состав форстеритовых материалов входят бентонит и карбонат бария. Сырьевыми материалами обусловливается химический состав керамики (массовая доля, %): SiO2 - 40,1 %; MgO - 52,2 %; BaO - 5,95 %;
Al2O3 - 0,71 %; Fe2O3 - 0,33 %. Керамика имеет единственную кристаллическую фазу - форстерит и стеклофазу следующего состава (массовая доля, %): SiO2 - 21,0 %; Al2O3 - 8,0 %; BaO - 63,3 %; CaO - 5,0 %; Fe2O3 - 3,0 %. Химический состав и чистота исходных материалов, а также количество и состав расплава, образующийся при обжиге, влияют на качество керамики, её свойства, способность образовывать надёжные спаи с металлами, а также на технологические особенности её изготовления.
В данной работе исследован один из основных исходных материалов - оксид магния (MgO), который по химическим свойствам является типичным основным оксидом. Он плохо растворяется в воде, но легко гидратируется с образованием Mg(OH)2. Температура плавления чистого оксида магния 2800 °С. Кристаллическая модификация у него одна - периклаз. Кристаллы периклаза имеют кубическую гранецентрированную решётку (постоянная решётки равна 0,42 нм). Решётка оксида магния отличается высокой плотностью упаковки.
Оксид магния, используемый для изготовления форстеритовой керамики, должен обладать высокой реакционной способностью, которая обусловливается, в первую очередь, мелкими кристаллами и высокой дефектностью кристаллической решётки. Эти свойства оксида магния зависят от исходного материала, из которого получают MgO, а также от способа получения и температуры прокаливания. Высокой реакционной способностью отличается оксид магния, полученный из основного карбоната путём его прокаливания при относительно низкой температуре (550 °С). Повышение температуры прокаливания значительно ускоряет рост кристаллов оксида магния, что приводит к снижению его активности.
Таким образом, основными факторами, обусловливающими активность MgO, являются дисперсность порошка и дефектность структуры частиц, характеризуемая искажениями кристаллической решётки, плотностью дислокаций и микродеформациями. Активность MgO, используемого при производстве форстеритовой керамики, очень важна, так как влияет на условия синтеза и спекания керамики, на её структуру и качество спаев керамических деталей с металлом
[3].
В данной работе проведён анализ оксида магния разными технологиями и из различного сырья. По одной технологии MgO изготавливается из природных карбонатов методом осаждения основного карбоната магния из азотнокислого раствора с последующей прокалкой его при температуре 700 °С [4]. Зёрна этого оксида магния имеют вытянуто-столбчатую или таблитчатую форму с явно выраженной спайностью (рис. 1).
а) б)
Рис. 1. Получение оксида магния из природных карбонатов методом осаждения карбоната магния
из азотнокислого раствора:
а) изображение с помощью поляризационного микроскопа (увел. 720х);
б) изображение с помощью электронного микроскопа (увел. 8300х)
Размер наибольшей стороны зёрен составляет от 6 до 16 мкм. Очевидно, что зёрна оксида магния, изготовленного по данной технологии, имеют форму, не характерную для периклаза. Данный MgO сохраняет псевдоструктуру исходного материала и является псевдоморфозой периклаза по углекислому магнию, получаемому осаждением из азотнокислого раствора магния. Показатель преломления зёрен данного оксида магния несколько ниже, чем у периклаза. Сохранение оксидом магния структуры исходного материала может являться причиной высокой активности, обеспечивающей хорошую возможность спекания форстеритовой керамики на его основе [3].
По другой технологии MgO получают из карналлита (KCl•MgCl2•6H2O) методом осаждения карбоната магния из раствора соды с последующей прокалкой при температуре 600 °С - 700 °С
[4].
При увеличении поляризационного микроскопа в 480х зёрна данного оксида выглядят частицами неправильной формы, размером от 20 до 150 мкм. Увеличение поляризационного микроскопа, равное 720х, и электронного позволяют увидеть, что это не отдельные монолитные зёрна, а образования, состоящие из множества мелких частиц - агломераты (рис. 2).
Склонность зёрен оксида магния, полученного по данной технологии, к агломерации, очевидно, вызвана их малыми размерами. Для установления истинных форм и размеров частиц оксида магния было применено диспергирование порошка MgO при приготовлении препаратов для исследований с помощью поляризационного и электронного микроскопов (рис. 3).
Рис. 2. Получение оксида магния из карналлита методом осаждения карбоната магния из раствора соды: а) изображение с помощью поляризационного микроскопа (увел. 720х);
б) изображение с помощью электронного микроскопа (увел. 8300х)
/ф.-у % / '4 . А\';гл н X *• х ■ \ . 1 Т в 1
1 ■ • .* \ Р * * \/гМг: Ч . *„«> “ «о 0 . % ° Ь 1 1 ‘К' * О $ . Л» * / 0 ^ ос/ 1 > / . ■ * у
Рис. 3. Определение формы и размеров частиц MgO диспергированием его порошка (поляризационный микроскоп; увел. 720 )
Размер зёрен по данным электронной микроскопии составляет 0,1 - 0,3 мкм; форма зёрен -округлая, что характерно для периклаза. Показатель преломления зёрен MgO равен 1,736, что соответствует показателю преломления периклаза.
Рентгенофазовый анализ показал соответствие оксида магния, изготовленного по обеим технологиям, структурной решётке MgO, отличных от периклаза кристаллических фаз не обнаружено. Оксид магния, изготовленный из карналлита, характеризуется менее острыми и более «размытыми» пиками (рис. 4), что свидетельствует о более мелких размерах зёрен порошка и их большей дефектности, чем у оксида магния, изготовленного из природных карбонатов.
Рис. 4. Рентгенограмма оксида магния, изготовленного по разным технологиям: а) из природных карбонатов; б) из карналлита
На основании данных проведённого исследования оксида магния, изготовленного по двум разным технологиям, следует сделать вывод, что MgO, полученный из карналлита, обладает большей реакционной способностью, чем MgO, полученный из природных карбонатов, так как в
первом случае зёрна имеют малые размеры, большую дефектность структуры и большее соответствие периклазу. И, следовательно, более пригоден для изготовления форстеритовой керамики.
Активность оксида магния способствует понижению температуры обжига изделий из форстеритовой керамики, что очень важно в серийном производстве. Аморфная фаза керамики -«стеклофаза», образующаяся при использовании активного оксида магния, способствует спаиванию керамических деталей с металлом.
Таким образом, использование более мелкокристаллического и более дефектного оксида магния, полученного из карналлита, позволяет спекать изделия из форстеритовой керамики при более низкой температуре и получать надёжные спаи с металлом.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Длительная прочность плотной поликристаллической керамики на основе оксида магния при температурах до 1600 °С / В. С. Бакунов, Е. С. Лукин, Э. П. Сысоев // Стекло и керамика. - 2013. - С. 16-19.
2. Стеатитовая керамика на основе талька верхнего Приамурья / В. М. Демчук и др. // Стекло и керамика. - 2010. - С. 13-16.
3. Бакунов В. С. Лукин Е. С. Особенности спекания оксидной керамики // Стекло и керамика. - 2011. - С. 9-13.
4. Особенности ползучести поликристаллической оксидной керамики при температурах до 1600 °С / В. С. Бакунов, Е. С. Лукин, Э. П. Сысоев // Стекло и керамика. -2012. -С. 25-28.
© Л. Б. Воробьёва, А. Д. Зонова, С. А. Степанова, 2014
