CC BY
31
УДК
Педченко М.С., Швецов А.А., Р.Б. Акаев, К.В. Ужегов, М.О. Сенина, Д.О. Лемешев
ВЛИЯНИЕ СПОСОБА ВВЕДЕНИЯ СПЕКАЮЩЕЙ ДОБАВКИ НА СВОЙСТВА КЕРАМИКИ ИЗ АЛЮМОМАГНЕЗИАЛЬНОЙ ШПИНЕЛИ
Педченко Мария Сергеевна, магистрант кафедры химической технологии керамики и огнеупоров, e-mail: [email protected];
Швецов Алексей Анатольевич, магистрант кафедры химической технологии керамики и огнеупоров.
Акаев Раджаб Багавдинович, магистрант кафедры химической технологии керамики и огнеупоров.
Ужегов Кирилл Владимирович, магистрант кафедры химической технологии керамики и огнеупоров.
Сенина Марина Олеговна, аспирант кафедры химической технологии керамики и огнеупоров
Лемешев Дмитрий Олегович, к.т.н., доцент кафедры химической технологии керамики и огнеупоров, e-mail:
Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева, Россия, 125047, Москва,
Миусская пл., 9.
Рассмотрена возможность производства керамики из алюмомагниевой шпинели и зависимость её свойств от применения фтористого лития в качестве спекающей добавки. Подобраны оптимальная концентрация и способ введения спекающей добавки в исходный порошок алюмомагниевой шпинели.
Ключевые слова: алюмомагнезиальная шпинель, АМШ, спекающая добавка, фторид лития.
EFFECT OF THE METHOD OF INJECTION OF SINTERING ADDITIVES ON THE PROPERTIES OF MAGNESIUM ALUMINATE SPINEL
M.S. Pedchenko, A.A. Shvetsov, R.B. Akayev, K.V. Uzhegov, M.O. Senina, D.O. Lemeshev D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Russia, Moscow, 125047, Miusskaya square, 9.
The possibility of production of ceramics from alumomagnesium spinel and the dependence of its properties on the use of lithium fluoride as a sintering additive are considered. The optimal concentration and method of injection of the sintering additive into the original powder of the magnesium aluminate spinel are finded.
Key words: magnesium aluminate spinel, sintering additive, lithium fluoride.
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 сапфиром и AЮN 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 [1, 2]. Поликристаллическая структура алюмомагнезиальной шпинели оптически изотропна. Шпинель не претерпевает полиморфных превращений и, следовательно, лишена каких-либо термически индуцированных фазовых изменений.
Благодаря своей высокой прочности и отличным свойствам светопропускания шпинель является очень привлекательным материалом для производства оптических компонентов высокой производительности, таких как линзы, ИК-окна и купола. УФ- и ИК- прозрачность в сочетании с высокой твердостью и устойчивостью к эрозии
делают шпинель отличным материалом для защитных окон для ИК-датчиков летательных аппаратов, кораблей и подводных лодок, а также ракетных куполов. Шпинель также очень перспективна для применения в качестве окон или ветровых стекол для военных автомобилей, таких как большие и пуленепробиваемые окна, благодаря своим механическим и баллистическим свойствам
[3].
Хорошо известно, что для получения керамики с требуемой микроструктурой и, следовательно, желаемыми свойствами, заготовки должны спекаться до высокоплотного состояния. Для достижения максимального светопропускания прозрачная керамика должна обладать практически нулевой пористостью. Процесс спекания определяется рядом параметров, регулируя которые можно получать заданную структуру материала.
Важным требованием для производства прозрачной керамики из алюмомагниевой шпинели является использование интенсифицирующих спекание добавок, а также высокая дисперсность порошков-прекурсоров. Высокодисперсные
порошки совместно со спекающими добавками, такими как B2O3, CaO и LiF, хорошо зарекомендовали себя при производстве прозрачной керамики из шпинели [4, 5]. Однородное
распределение этих компонентов оказывает существенное влияние на характеристики полученной керамики.
Для получения керамики из
алюмомагнезиальной шпинели использовали следующие исходные материалы: магний азотнокислый 6-водный (ЧДА), алюминий азотнокислый 9-водный (ЧДА), литий фтористый (Ч), аммиак водный (ОСЧ), углерод четырёххлористый (ОСЧ), парафин (П-2).
Прекурсор алюмомагнезиальной шпинели получали методом обратного гетерофазного соосаждения, заключавшегося в приготовлении горячего насыщенного раствора солей (нитратов магния и алюминия), взятых в соответствии со стехиометрическим соотношением (в пересчете на оксиды: АЬОз - 71,67 мас.%, MgO - 28,33 мас.%), с последующим распылением в раствор осадителя. Полученный порошок подвергали помолу сухим способом (соотношение материал : мелющие тела 1:3) в планетарной мельнице. Затем в порошок шпинели вводилась добавка 0,5; 1,5; 2,5 и 3,5 мас. % фторида лития. Порошок смешивали с добавкой в планетарной мельнице двумя способами: сухим в течение 30 минут (соотношение материал : мелющие тела 1:3), мокрым в среде этилового спирта в
течение 15 минут (соотношение материал : мелющие тела : спирт 1 : 3 : 2).
В качестве временной технологической связки при полусухом прессовании использовали парафин. Формование проводили на прессе П-50 одноступенчатым полусухим прессованием при давлении 100 МПа. Образцы сушили до влажности, соответствующей влажности воздуха в лаборатории, и выжигали временную технологическую связку. Для этого размещали заготовки на огнеупорной подложке и помещали в силитовую печь. Обжиг проходил при температуре 800 °С, время выдержки - 1 час. Затем проводили обжиг керамических образцов в вакууме при температурах 1650 °С в течение 15 часов с выдержкой при максимальной температуре 3 часа. Спекание в вакууме является более интенсивным по сравнению со спеканием на воздухе. Спекание шпинели в вакууме ускоряет процесс диффузии ионов магния и дефектообразования, позволяет улучшить удаление пор и, как следствие, получать более плотную керамику.
После обжига были определены открытая пористость и средняя плотность образцов в зависимости от концентрации спекающей добавки и способа ее введения. На рис. 1 и рис. 2 показаны результаты определения открытой пористости и средней плотности.
3*
34-,О 32,0 30,0 2 В.,0 26,0 2+,0 22,0 20,0
0,5 1 1,5 2 2,5 3 Концентрация и, масс. %
3,5
^Введение ИР сухим способом
Введение ЫР мокрым способом
Рисунок 1 - Открытая пористость керамики со спекающей добавкой ЫЕ, обожженной при 1650 °С.
2,90
2,50 -
2Д0 -
I ^ Н
и
1,30
Енедение LSF сухим способом
Евгдение LSF мокрым способом
0,5 1 1,5 2 2,5 3 Концентрация Lf, масс. X
3,5
Рисунок 2 - Средняя плотность керамики со спекающей добавкой ЫЕ, обожженной при 1650 °С.
Анализируя полученные графики, можно сделать следующие выводы. При введении фторида лития сухим способом не наблюдается четкой зависимости изменения свойств керамики с увеличением концентрации. Это можно объяснить тем, что при сухом способе введения не удается получить равномерного распределения добавки по всему объему порошка, что влечет за собой получение неравноплотности в материале. Данный вывод подтверждается результатами сканирующей электронной микроскопии (рис. 3). Микроструктура материала неоднородна, присутствуют крупные зерна размером до 20 мкм. Кроме того, наблюдается присутствие большого количества пор в керамике, что не позволяет достигать прозрачности. Введение же спекающей добавки мокрым способом способствует лучшему ее распределению и позволяет получать четкие зависимости пористости и плотности от концентрации LiF.
W
ь -\> Jjfhj/
f.-; ' - ; у Ш м
А . ± V )
SEM HV: 15.0 kV WD: 13.58 mm MIRA3 TESCAN
View field: 103 fim Del: SE 20 И'
SEM MAG: 3.62 kK Dalejm/d/y): 061211/16 РФЦСЭ при МЮ РФ
Рисунок 3 - Микроструктура образца, с добавкой, введенной сухим способом
Выводы:
Проведенная работа показала, что концентрация спекающей добавки и способ ее введения оказывают существенное влияние на свойства керамики из алюмомагнезиальной шпинели.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-33-00507.
Список литературы
1) 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
2) Г.А. Выдрик, Т.В. Соловьева, Ф.Я. Харитонов. Прозрачная керамика // М.: Энергия. 1980. С. 97.
3) L. B. Kong, Y. Z. Huang, W. X. Que, T. S. Zhang, S. Li, J. Zhang, Z. L. Dong, D. Y. Tang auth. Transparent Ceramics. 2015.
4) Misawa T, Moriyoshi Y, Yajima Y, Takenouchi S, Ikegami T (1999) Effect of silica and boron oxide on transparency of magnesia ceramics. J Ceram Soc Jpn 107:343-348
5) M. R. du Merac, I. E. Reimanis, C. Smith, H.-J. Kleebe, M. M. Müller. Effect of impurities and LiF additive in hot-pressed transparent magnesium aluminate spinel. International Journal of Applied Ceramic Technology. 2013. №10. С. E33-E48.
