CC BY
26
УДК 546.05, 666.3-16, 535.8
Козловская Е.А., Сенина М.О., Педченко М.С., Швецов А.А., Лемешев Д.О.
ВЛИЯНИЕ УПЛОТНЯЮЩЕЙ ДОБАВКИ ОКСИДА БОРА НА СВОЙСТВА КЕРАМИКИ ИЗ АЛЮМОМАГНИЕВОЙ ШПИНЕЛИ
Козловская Елена Алексеевна, обучающийся группы Н-46 кафедры химической технологи керамики и огнеупоров, e-mail: kozlovskaya.elen163@gmail.com
Сенина Марина Олеговна, аспирант 4 года кафедры химической технологи керамики и огнеупоров Педченко Мария Сергеевна, обучающийся группы МН-14 кафедры химической технологи керамики и огнеупоров
Швецов Алексей Анатольевич, обучающийся группы МН-14 кафедры химической технологи керамики и огнеупоров
Лемешев Дмитрий Олегович, 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 рассмотрена актуальность получения керамики на основе алюмомагниевой шпинели с уплотняющей добавкой оксида бора. Прекурсор шпинели получен методом обратного химического соосаждения. Изучено влияние концентрации уплотняющей добавки на свойства керамики.
Ключевые слова: прозрачная керамика, оптическая керамика, алюмомагниевая шпинель, уплотняющие добавки, оксид бора.
INFLUENCE OF COMPACT BORON OXIDE ADDITIVE ON PROPERTIES OF CERAMICS FROM MAGNEZIUM-ALUMINATE SPINEL
Kozlovskaya E.A. Senina M.O., Pedchenko M.S., Shvetsov A.A., Lemeshev D.O. D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia.
In this paper the relevance of the development of obtaining ceramics based on magnesium- aluminate spinel with a boron oxide compact additive is considered. The spinel precursor has been obtained by the method of reverse chemical co-precipitation. The influence of the concentration of compact additive on the properties of ceramics is investigated.
Key words: transparent ceramics, optical ceramics, magnesium-aluminate spinel, compact additives, boron oxide.
В современном мире перспективным направлением развития керамической
промышленности является производство оптически прозрачной керамики. Интерес связан с применением керамических изделий в оборонной промышленности в качестве забрал для шлемов и броневых окон гражданского и военного транспорта. Помимо стойкости против ударов, пуль и осколков защитные материалы должны обладать высоким уровнем прозрачности, низкой массой, устойчивостью против воздействия агрессивных сред, а также огнеупорностью.
В настоящее время активно применяются технологии получения прозрачной брони на основе оксинитрида алюминия (А10К) и сапфира, которые обладают превосходными функциональными свойствами. Однако, процесс производства изделий из данных материалов требует больших финансовых и энергетических затрат ввиду использования дорогостоящего оборудования и высоких температур. В этой связи остается актуальной проблема поиска новых, более совершенных, материалов и методов получения оптической керамики.
В конце 60-х годов прошлого столетия высокое признание получила алюмомагниевая шпинель М§А1204 (АМШ) благодаря своим ценным свойствам, включающим химическую инертность к действию агрессивных сред, термоустойчивость, низкую плотность, высокие механические показатели, а также превосходные оптические свойства [1]. По свойствам шпинель не уступает аналогам - А10К и сапфиру - однако, имеет перед ними технологические преимущества. Важными достоинствами керамики на основе АМШ, прежде всего, являются изотропность структуры, обусловленная кубическим строением решетки, и доступность сырьевых материалов. Таким образом, можно сделать вывод о том, что алюмомагниевая шпинель характеризуется как перспективный материал в сфере создания прозрачной керамики.
Для получения материалов с высокой степенью прозрачности необходимо добиваться совершенства технологического процесса посредством применения специальных методов качественной подготовки шихты, которые называют химическими. Одним из наиболее 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.
Известно, что обязательным условием создания прозрачной керамики является полное отсутствие пористости в ней. Этого добиваются, применяя дорогостоящие и трудоемкие способы, такие как искровое плазменное спекание (ИПС), горячее прессование (ГП) и горячее изостатическое прессование (ГИП). Но многочисленные исследования, проводившиеся за долгие годы, позволили сделать удивительные открытия, касающиеся улучшения методов спекания изделий из шпинели. Было установлено, что добавление В203, ЫБ и некоторых других соединений благоприятно влияет на понижение температуры спекания и подавление высокоскоростного роста зерен, что способствует понижению пористости материала [3].
Авторы работ [4, 5] исследовали влияние добавки оксида бора на процесс спекания шпинельной керамики методом ГИП и ИПС при температуре 1300 °С. Результаты эксперимента показывают, что введение добавки В203 в количестве 0,15 мас. % значительно снижает пористость и увеличивает светопропускание материала в видимом спектре до 80% при ГИП и до 70% при ИПС. В дальнейшем, в работе [2] было изучено влияние добавки В203 в количестве 0-10 мас. % на свойства керамики, полученной спеканием в вакууме при 1700°С. В результате эксперимента было выявлено, что для получения высокого светопропускания и низкой пористости необходимо вводить не более 7 мас. % оксида бора.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что, комбинируя вакуумное спекание с введением уплотняющей добавки, можно получить материал с низкой пористостью и высокой прозрачностью, не применяя дорогостоящего оборудования.
В данном исследовании для получения прекурсора шпинели использован метод обратного соосаждения из водных растворов посредством распыления насыщенного раствора нитратов магния и алюминия, взятых в стехиометрическом соотношении (в пересчете на оксиды: М§0 - 28,33 мас. %, А1203 - 71,67 мас. %; с учетом потерь при прокаливании) в избыток раствора-осадителя, в качестве которого использован водный раствор аммиака. Затем, на основании результатов дифференциально-термического анализа (рис. 1) подобрана оптимальная температура обжига порошка прекурсора для получения фазы АМШ.
Рис. 1 - Результат дифференциально-термического анализа смеси нитратов магния и алюминия
Из графика видно, что при температуре 270 °С происходит удаление химически связанной воды, образование шпинели начинается при 630 °С, а конец кристаллизации шпинели приходится на 1150 °С. Таким образом, оптимальной температурой обжига для синтеза АМШ является 1200 °С.
Выбор метода синтеза и температуры обжига подтверждается данными рентгенофазового анализа (рис. 2), которые показывают наличие фазы алюмомагниевой шпинели.
Ел0*шп«и»1 омет с-1 [ве-М I -0» 1} *в иц О* ЗдачН
ЦБ 00 I «
Рис. 2 - Результат рентгенофазового анализа синтезированной АМШ
Для снижения пористости в качестве добавки выбран оксид бора, в количестве 5-7 мас. % с шагом 0,5, который введен в порошок шпинели мокрым способом. Смешение проводилось в течение 15 минут в планетарной мельнице, а в качестве жидкой фазы выбран ацетон.
Формование полуфабрикатов осуществлялось методом полусухого прессования при давлении прессования 100 МПа с парафином и раствором четыреххлористого углерода в качестве временной технологической связки (ВТС). Удаление ВТС проведено при температуре 1100 °С, а обжиг образцов - при температуре 1700 °С в вакууме с временем выдержки 3 часа.
В результате проведенных операций были получены следующие данные открытой пористости и средней плотности обожженных образцов (рис. 3,
Рис. 3 - Влияние концентрации B2O3 на открытую пористость керамики
Рис. 4 - Влияние концентрации B2O3 на среднюю плотность керамики
Из графиков видно, что лучшие показатели открытой пористости и средней плотности наблюдаются при добавлении 6 мас. % оксида бора. С дальнейшим увеличением концентрации
повышается пористость и снижается плотность. Эти данные говорят о том, что концентрация оксида бора в количестве 6 мас. % является оптимальной для получения высокоплотной керамики из шпинели, полученной методом химического соосаждения.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-33-00507.
Литература
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. М. О. Сенина [и др.]. Влияние концентрации добавки оксида бора на спекание и свойства керамики на основе алюмагниевой шпинели // Современные методы и технологии создания и обработки материалов: материалы XIII Международной научно-технической конференции - Минск, 2018.
3. Ling Bing Kong, Yizhong Huang, Wenxiu Que, Tianshu Zhang, Sean Li, Jian Zhang, Zhili Dong, Dingyuan Tang. Transparent Ceramics / Topics in Mining, Metallurgy and Materials Engineering. - 2015.
4. Tsukuma K. Transparent MgAl2O4 spinel ceramics produced by HIP post-sintering. Journal of the Ceramic Society of Japan 2006; 114(1334):802-6.
5. S. Saridaç, G. Gôller, O. Yticel, F. §ahin. Production and Characterization of Magnesium Aluminate Spinel (MgAl2O4) Ceramics with Light Transmission by Spark Plasma Sintering / 18th International Metallurgy & Materials Congress 2016. 145-148.
