CC BY
18
УДК 666.3; 666.3.016; 546.05
Ульянова А.В., Сенина М.О., Лемешев Д. О.
ВЛИЯНИЕ СПОСОБА ВВЕДЕНИЯ ДОБАВКИ ОКСИДА ГАЛЛИЯ НА ПОЛУЧЕНИЕ ПЛОТНОЙ КЕРАМИКИ НА ОСНОВЕ АЛЮМОМАГНИЕВОЙ ШПИНЕЛИ
Ульянова Алена Владимировна, студентка 1 курса магистратуры факультета технологии неорганических веществ и высокотемпературных материалов; e-mail: Ulianovaav @mail. га
Сенина Марина Олеговна, ассистент кафедры химической технологи керамики и огнеупоров; Лемешев Дмитрий Олегович, к.т.н., доцент кафедры химической технологи керамики и огнеупоров. Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
В данной работе рассматривается получение плотной керамики на основе алюмомагниевой шпинели со спекающей добавкой оксида галлия из порошков прекурсоров шпинели, полученных методом обратного гетерофазного соосаждения. Изучено влияние способа введения добавки оксида галлия на керамические свойства изделий.
Ключевые слова: алюмомагниевая шпинель, спекающие добавки, оксид галлия, твердые растворы
INFLUENCE OF THE METHOD OF ADDITIVE ADDITIVES OF GALLIUM OXIDE ON PRODUCING DENSE CERAMICS BASED ON MAGNESIUM ALUMINATE SPINEL
Ulyanova A.V., Senina M.O., Lemeshev D.O.
D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia.
The producing of dense ceramics based on magnesium aluminate spinel with a sintering additive of gallium oxide powders of precursor of spinel obtained by the method of reverse heterophase coprecipitation considered in this article. The influence of the method of introducing gallium oxide additives on ceramic properties ofproducts is studied.
Keywords: Magnesium aluminate spinel, sintering addition, gallium oxide, solid solutions.
Алюмомагниевая шпинель (АМШ) - является уникальным материалом для создания бронематериалов. Она обладает не только прекрасными механическими свойствами несмотря на невысокую плотность (3,58 г/см3), по сравнению с металлами, но и позволяет создавать элементы с высокими значениями светопропускания (до 95 %) в видимой области, ввиду изотропности своей структуры. Получение материала из алюмомагниевой шпинели отличается относительно коротким временем проведения синтеза без использования специального дорогостоящего оборудования по сравнению с производством брони из оксинитрида алюминия, аналога шпинели [1,2].
Для получения таких материалов необходимо применять химические методы подготовки шихты. Одним из перспективных методов следует считать соосаждение из водных растворов, поскольку он не требует применения специального оборудования и высоких температур, а также характеризуется относительно коротким временем проведения реакции. Обязательным условием создания плотной прозрачной керамики является полное отсутствие пористости в ней. Алюмомагнивую шпинель достаточно трудно спечь до плотного, беспористого состояния, применяя стандартные методы спекания. Как известно, обжиг алюмомагниевой шпинели проходит при температурах порядка 1900 °С, при таких высоких температурах происходит процесс рекристаллизации, в результате чего в материале образуются поры, которые влекут за собой понижение керамических свойств изделия. Эту
проблему можно решить путем специальных методов спекания, искровое плазменное спекание, горячее прессование, горячее изостатическое прессование [3].
Существует альтернативный метод достижения плотного состояния материала. Суть этого метода заключается в введении спекающих добавок, например, Ga2O3, B2O3, LiF и некоторых других соединений в алюмомагниевую шпинель. Это благоприятно влияет на понижение температуры спекания и подавление высокоскоростного роста зерен, что способствует понижению пористости материала и увеличению светопропускания, за счет того, что позволяет получать прозрачную керамику в вакууме без приложения давления.
Наиболее перспективными добавками являются те, которые образуют твердые растворы. Ими могут быть оксиды галлия, скандия или других редкоземельных элементов, которые будут способствовать образованию твердых растворов с MgO и Al2O3. Перечисленные добавки играют большую роль в образовании твердых растворов в обеих подрешетках шпинели с возникновением вакансий, что обеспечит на этапе спекания достижение плотности близкой к теоретической. В данной работе используется спекающая добавка оксида галлия, которая является более экономически выгодной по сравнению с другими.
Целью работы является исследование влияния способа введения спекающей добавки оксида галлия на свойства керамики на основе алюмомагниевой
шпинели, полученной методом обратного гетерофазного соосаждения.
Экспериментальная часть
Высокодисперсные порошки двойного гидроксида магния-алюминия строго
стехиометрического состава, MgAl2(OH)8, являющиеся прекурсором алюмомагниевой шпинели, синтезированы методом обратного гетерофазного соосаждения, поскольку данный метод не требует применения специального оборудования и высоких температур, а также характеризуется относительно коротким временем проведения реакции. В качестве исходных компонентов для синтеза использовали водные нитраты алюминия и магния (А1^03)39Н20 и Mg(N0з)2•6 Н20), взятые в соотношении 50:50 мол. % в пересчете на оксиды.
Температура термообработки прекурсора для получения фазы АМШ была подобрана на основании результатов дифференциально-термического
анализа, которая составляет 1200 °С. Далее был проведен рентгенофазовый анализ, результаты которого свидетельствуют о получении соединения стехиометрического состава, где алюмомагниевая шпинель - единственная кристаллическая фаза (рис.1).
Рис. 1 - Дифрактограмма MgAl2O4, полученной при 1200 °С.
Анализ микроструктуры порошка прекурсора и шпинели проводился на сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) марки Tescan MIRA III XMU, результаты которого представлены на рисунке 2 (а, б).
Как видно по фотографиям, прекурсор и шпинель имеют полифракционный состав с частицами разной формы и размеров. В результате такого состава в материале могут образоваться поры.
Для обеспечения получения плотного материала с минимальной пористостью вводили спекающую добавку, оксид галлия, в виде соли нитрата галлия. Добавка вводилась различными методами: в порошок шпинели и в порошок прекурсора. Спекание образцов проводили при температурах 1750 °С. Результаты представлены на рисунках 3,4.
9 8
*7
л
R к
U О
о
и 3
5
52
А
Z1
6 о
3,3
3 д
в прекурсор в шпинель
Метод введения добавки
Рис. 3 - Влияние метода введения добавки на открытую пористость образцов.
ос
SF
о.
и
3,25 3,24 3,23 3,22 3,21 3,20 3,19 3,18
3,24
3,20
а прекурсор в шпинель
Метод введения добавки
Рис. 2 - Фотографии микроструктуры порошка а) прекурсора, б) шпинели.
Рис. 4 - Влияние метода введения добавки на среднюю плотность образцов.
При введении добавки в шпинель свойства образцов выше, чем при введении добавки в прекурсор, что может быть связано с более полным прохождением реакции дефектообразования и формирования твердого раствора с кубической решеткой. Полученная в ходе эксперимента средняя плотность составляет 91 % от теоретической.
На рисунке 5 (а) представлена фотография образца, полученного методом введения добавки в алюмомагниевую шпинель. Как видно, образец не достиг прозрачности даже близкой к теоретическим значениям. На рисунке 5 (б) показана микроструктура образца.
а б
Рис. 5 - а) Внешний вид образца из АМШ, б) Микроструктура образца.
Образец имеет однородную структуру, включающую небольшое количество
межкристаллических и внутрикристаллических пор, что негативно отразилось на светопропускании образца.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского химико-технологического университета им. Д.И.Менделеева. Номер проекта 2020-21.
Список литературы
1. Е.С. Лукин. Современная высокоплотная оксидная керамика с регулируемой микроструктурой. Часть 3. Микроструктура и процессы рекристаллизации в керамических оксидных материалах // Огнеупоры и техническая керамика. 1996.- №7.
2. Лукин Е. С., Попова Н. А., Глазачев В. С., Павлюкова Л.Т., Куликов Н. А. Технология, свойства и применение оптически прозрачной оксидной керамики: перспективы развития // Конструкции из композиционных материалов. - 2015. - № 3. - С. 2436.
3. Kong, L.B., Huang, Y.Z., Que, W.X., Zhang, T.S., Li, S., Zhang, J., Dong, Z.L., Tang, D.Y. Transparent Ceramics / Topics in Mining, Metallurgy and Materials Engineering. - 2015.
