Влияние сырьевых особенностей талька на качество форстеритовой керамики Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 666.76.

ВЛИЯНИЕ СЫРЬЕВЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ ТАЛЬКА НА КАЧЕСТВО ФОРСТЕРИТОВОЙ КЕРАМИКИ

Людмила Борисовна Воробьёва

Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат химических наук, доцент кафедры метрологии и технологии оптического производства, тел. (383)361-07-79, e-mail: [email protected]

Светлана Арсеньевна Степанова

Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры метрологии и технологии оптического производства, тел. (383)361-07-79, е-mail: [email protected]

В статье рассмотрено влияние сырьевых особенностей состава талька на качество фор-стеритовой керамики. Рекомендована модификация стеклофазы, обеспечивающая надежность вакуумно-плотных металлокерамических спаев.

Ключевые слова: форстеритовая керамика, сырье, микроструктура, тальк.

INFLUENCE OF RAW TALC FEATURES ON THE QUALITY OF CERAMICS FORSTERITE

Ludmila B. Vorobyeva

Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., candidate of the chemical sciences, docent, department of metrology and technology of the optical production, tel. (383)361-07-79, е-mail: [email protected]

Svetlana A. Stepanova

Siberian State University of Geosystems and Technologies, 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, е-mail: [email protected]

The article considers the influence of raw talc composition features the quality forsterite ceramics. Recommended glass phase modification that provides reliable vacuum-tight ceramic-metal junctions.

Key words: forsterite ceramics, raw, microstructure, talc.

Высокие механическая прочность, коэффициент термического расширения, близкий к титану, электрофизические характеристики, в том числе при повышенных температурах, обеспечили форстеритовой керамике широкое применение в изделиях электротехнической и электронной техники. Форстерит -ортосиликат магния (2MgOSiO2), не имеющий полиморфных форм и модифи-кационных превращений. Он является конечным членом оливинового ряда твёрдых растворов.

Одним из основных сырьевых материалов при изготовлении форстерито-вых керамик является природный минерал тальк - кристаллообразующий ком-

понент [1]. Тальк относится к подклассу слоистых(листовых) триоктаэдриче-ских магнезиальных ортосиликатов состава Mg3(Si2O5)2(OH)2. Остовом структуры талька являются сетки кремнекислородных тетраэдров, образованных тетраэдрами радикалов [Si2O5]2-. Они располагаются параллельно друг другу и чередуются с плоскими сетками другого состава, образуя трехслойные 2:1 симметричные пакеты слоев: {(Si2O5)(OH)-Mg-(Si2O5)(OH)}. Два слоя тетраэдров обращены друг к другу вершинами, между ними в октаэдрических пустотах располагается магний. Суммарный заряд пакетов равен нулю. Образование плоского пакета можно выразить уравнением:

2[Si2O5]2-+3Mg(OH)2=Mg3(Si2O5)(OH)2+4OH-.

Тальк - оптически анизотропный минерал с показателями преломления: na = 1.538 - 1.550; nß = 1.589 - 1.594; ny = 1.589 - 1.600. Различная плотность упаковки атомов внутри слоя и между пакетами слоев обеспечивает тальку свойство двойного лучепреломления. Максимальное значение величины дву-преломления талька 5=0.051.В структуре талька соседние пакеты скреплены слабыми остаточными электростатическими силами. Легко осуществляемые в природе, из-за малых сил связей между пакетами смещение (сдвиг) и разворот слоев друг относительно друга формирует тальк разных политипов с синго-ниями: моноклинной (чаще всего), гексагональной, ромбической, тригональ-ной, триклинной. В качестве примесей тальк обычно содержит оксиды железа (II, III), алюминия, кальция, натрия, калия и воду. Химически чистый ортосили-кат магния бесцветен. Цвет природного талька зависит от наличия в минерале элементов-хромофоров в первую очередь железа: в присутствии двухвалентного железа белый тальк приобретает зеленую окраску разной интенсивности, небольшая примесь трехвалентного железа обусловливает появление в окраске коричнево-серой составляющей.

В производстве форстеритовой керамики с высокими диэлектрическими свойствами используется тальк с минимальным содержанием оксидов натрия и калия, а содержание оксидов железа не должно превышать 1 масс.%. Применение природного минерала в качестве основного сырья неизбежно влечет за собой колебания состава и структуры керамики, что не может не отразиться на ее свойствах. В термохимическом процессе спекания керамики при протекании реакций в твердой фазе тальк имеет тенденцию к сохранению своих структурных особенностей, так какпри нагревании не распадается на оксиды, а образует метасиликат магния и свободный кремнезем. В результате прослеживается тесная структурная взаимосвязь между исходным минералом и вновь образующейся кристаллофазой керамики. Тальк различных месторождений отличается не только составом (в части природы и содержания примесей), но и структурой. Политипический полиморфизм структуры талька может варьироваться даже в пределах одного месторождения.

В данной работе изучено влияние сырьевого минерала талька на микроструктуру форстеритовой керамики марки ВФ-52 и герметичность титано-

керамических спаев. Использовался тальк двух маложелезистых месторождений: давно разрабатываемого стеатитового онотского (Восточные Саяны) и ал-гуйского (Кузбасская область), к разработке которого приступили в конце XX века. Состав и содержание примесей в различных партиях сырья может колебаться в значительных пределах и приведено в табл. 1.

Таблица 1

Состав проб талька разных месторождений и потери при прокаливании (п.п.п.)

Примесь Содержание примеси, масс. % для месторождений

Онотское Алгуйское

SiO2 52,7 -78,4 (ср.59,7) 63,4 - 81,0 (ср. 68,9)

MgO 17,0 - 39,5 (ср. 32,8) 16,5 - 31,5 (ср. 25,9)

^3 0,1 - 0,7 (ср.0,45) 0 - 0,4 (ср. 0,25)

Fe2Oз 0,3- 1,0 (0,85) 0 - 0,3 (ср. 0,15)

CaO 0 - 0,4 (0,14) 0 - 0,3 (ср. 0,05)

п.п.п. 2,8 - 5,4 (ср. 4,5) 2,5 - 5,0 (ср. 4,0)

Визуально онотский тальк представляет собой кусковую породу белого цвета с мелкой чешуйчато-волокнистой структурой и цветами плеохроизма от бледно-зеленого до серо-зеленого. В волокнистой структуре хорошо прослеживаются следы спайности, двупреломлением обладают в среднем 65% зерен (микроскопический анализ в иммерсии [4]). Показатели преломления ^=1,586 и п^ 1,542, величина двупреломления 5 = 0.044. Однооосные (недвупрелом-ляющие) зерна имеют близкую к кубической или округлую форму.

Тальк Алгуйского месторождения в природном состоянии белая или светло-серая глиноподобная масса, легко рассыпающаяся в тонкий порошок при растирании вручную. Зерна алгуйского талька более крупные, неправильной призматической формы с включением небольшого количества волокнистых зерен со следами спайности. Двупреломлением обладает большая доля зерен до 75-80 %. Алгуйский тальк подлежит обогащению методом флотации. Флотированный алгуйский тальк представляет собой мономинеральную разновидность, приближенную по содержанию основных оксидов к чистой разновидности талькового минерала, что подтверждается значениями показателей преломления ^=1,580 и п^ 1,538.В обогащенном тальке содержание SiO2 не более 65 масс.%, MgO не менее 30 масс.%. Такой тальк является высококачественным сырьем для производства вакуумно-плотной форстеритовой керамики.

С целью сравнения технологических свойств сырьевого талька двух месторождений применительно к производству вакуумно-плотной форстеритовой керамики были изучены процессы, происходящие при нагревании талька до температур близких к условиям спекания керамической массы: 1050, 1250

и 1370 оС. Изучение изменения структуры талька при этих температурах в конечном итоге дает возможность управлять синтезом форстерита с целью достижения требуемой микроструктуры и свойств керамики. Результаты наблюдений приведены в табл. 2.

Таблица 2

Изменение микроструктуры талька при нагревании

Наблюдаемые Месторо- До нагрева Температура нагрева, о С

качества ждение 1050 1250 1370

Цвет Онотское Бледно- Бледно- Белый Белый

талька зеленый кремовый

Алгуйское Белый Белый Белый Белый

Форма зерен в Онотское Волокни- Таблитчатая, Таблитчатая, Мелкие

плоскости стая со сле- округлая или округлая или округлые

шлифа дами спайности неправильные квадраты. Без следов спайности неправильные квадраты. Без следов спайности

Алгуйское Крупные Основная фор- Основная Мелкие

призмати- ма - таблитча- форма - не- округлые

ческие с не- тая; встречают- правильные

большой ся неправиль- квадраты; от-

долей во- ные квадраты дельные таб-

локнистых и округлые литчатой

включений; формы

присутству-

ет спай-

ность

Доля двупре- Онотское 65 40-45 30-45 5-10

ломляющих Алгуйское 75-80 40-45 35-40 25-30

зерен, %

Цвета плеох- Онотское Бледно- Ярко желтый, Желтый- Бледно-

роизма зеленый; серо- зеленый ярко-зеленый зеленый, красный-зеленый красный, бледно- синий

Алгуйское Ярко- От желто- От желто- От желто-

желтый, яр- зеленого до зеленого до зеленого

ко-зеленый, сине-зеленого красно-синего до красно-

ярко- синего

оранжевый,

красно-

зеленый

Микроскопические исследования по методике [3,5] показали, что при температурной обработке в структуре талька изменяются размер и форма зерен и цвета плеохроизма. Волокнистая структура талька онотского месторождения при 1050оС трансформируется в чешуйчатую. При дальнейшем повышении температуры появляются зерна округлой формы; одновременно уменьшается как доля зерен, обладающих двупреломлением, так и величина двупреломле-ния 5 с 0,042 до 0,013. Начиная с 1200оС, первоначальные волокнистые агрегаты структуры переходят в мелкозернистое состояние с размерами зерен не более 2 мкм.

При нагревании алгуйского талька происходят изменения структуры ано-логично онотскому тальку, но со сдвигом температуры начала изменения в сторону больших значений примерно на 100о. При максимальной температуре отжига в 1370оС в продуктах отжига исследуемых образцов талька полностью исчезают волокнистые и пластинчатые разновидности, образцы приобретают тонкозернистую структуру со слабым двупреломлением зерен, однако средний размер зерен больше, чем в случае онотского талька. Спекание форстеритовых изоляторов из керамических масс на основе талька онотского и алгуйского месторождений было выполнено при температурах 1350оС и 1370оС соответственно. Для керамики из алгуйского талька было увеличено время выдержки при максимальной температуре. Анализ микроструктуры полученной керамики показал, что установленным критериям микроструктуры, обеспечивающим получение надежных спаев с титаном, соответствует керамика из онотского талька. Для керамики из алгуйского талька характерны более крупные кристаллы форстерита, их большая неравнозернистость и пониженное содержание стеклофа-зы. Последнее должно отразиться на прочности спаев керамики с титаном. Испытание спаев с титаном для полученных образцов керамики показало значительное превышение брака по негерметичности для изделий из керамики на основе алгуйского талька в сравнении с керамикой из онотского талька: 13% и 1,5% соответственно.

На основании данных проведенного исследования особенностей сырьевого талька разных месторождений для получения керамики ВФ-52 установлено, что алгуйский тальк природного состава не позволяет получить герметичные спаи с титаном вследствие избыточного содержания SiO2.Использование качественного низко примесного талька Алгуйского месторождения для изготовления ваку-умно-прочной керамики возможно после корректировки технологического режима приготовления шихты и ее состава с целью подбора содержания и свойств стеклофазы.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Бакунов В. С., Лукин Е. С. Особенности спекания оксидной керамики // Стекло и керамика. - 2011, № 7. - С. 9-13.

2. Воробьёва Л. Б., Зонова А. Д., Степанова С. А. Оценка погрешности измерений параметров микроструктуры керамики // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2014. Х Междунар. науч.

конгр. : Междунар. науч. конф. «Сиб0птика-2014» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 8-18 апреля 2014 г.). - Новосибирск : СГГА, 2014. Т. 2. - С. 59-64.

3. Воробьёва Л. Б., Зонова А. Д., Степанова С. А. Состав и размеры стеклофазы в микроструктуре корундовой керамики // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2015. XI Междунар. выставка и науч. конгр. «Электронное геопространство на службе общества» : сб. материалов (Новосибирск, 13-25 апреля 2015 г.). - Новосибирск : СГГА, 2015. Т. 2. - С. 202-206.

4. Воробьёва Л. Б., Зонова А. Д., Степанова С. А. Влияние способа получение оксида магния на микроструктуру форстеритовой керамики // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2014. X Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Сиб0птика-2014» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 8-18 апреля 2014 г.). - Новосибирск : СГГА, 2014. Т. 2. - С. 115-120.

© Л. Б. Воробьёва, С. А. Степанова, 2016