CC BY
78
8. Shannon R. D. Revised effective ionic radii and systematic studies of interatomic distances in halides and chalcogenides // Acta Crystallogr., Sect. A, Fund. Crystallogr. 1976. Vol. 32. P. 751.
9. Лазоряк Б. И. Дизайн неорганических соединений с тетраэдрическими анионами // Успехи химии. 1996. Т. 65. C. 307.
10. Efremov V. A., Melnikov P. P., Komissarova L. N. Sur de nouveaux composes de type glaserite // Rev. Chim. Miner. 1985. Vol. 22. P. 666.
11. Комисарова Л. Н., Жижин М. Г., Филаретов А. А. Сложные фосфаты одно- и трехвалентных катионов // Успехи химии. 2002. Т. 71. С. 707-740.
12. Фазовые соотношения в системах K3Ln(PO4)2 — K3Ln(VO4)2 (Ln = La, Gd) / А. Н. Кириченко и др. // Неорган. материалы. 1999. Т. 35, № 7. С. 877-881.
13. Комиссарова Л. Н., Рюмин М. А., Пухкая В. В. Синтез и исследование свойств твердых растворов K2Yi-xTb(Tm)x(MoO4)(PO4) и K2Y:-xTmx(MoO4)(PO4)0,95(VO4)0,05 // Известия Академии наук, серия химическая. 2012. № 3. С. 656-659.
Сведения об авторах
Рюмин Михаил Александрович
кандидат химических наук, Институт общей и неорганической химии им. Н. С .Курнакова РАН, г. Москва, Россия
Никифорова Галина Евгеньевна
Институт общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова РАН, г. Москва, Россия [email protected]
Хорошилов Андрей Владимирович
кандидат химических наук, Институт общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова РАН, г. Москва, Россия [email protected]
Гавричев Константин Сергеевич
доктор химических наук, Институт общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова РАН, г. Москва, Россия, [email protected]
Ryumin Mikhail Alexandrovich
PhD (Chemistry), Kurnakov Institute of General And Inorganic Chemistry of the RAS, Moscow, Russia
Nikiforova Galina Evgen"evna
Kurnakov Institute of General And Inorganic Chemistry of the RAS, Moscow, Russia [email protected]
Khoroshilov Andrey Vladimirovich
PhD (Chemistry), Kurnakov Institute of General And Inorganic Chemistry of the RAS, Moscow, Russia
Gavrichev Konstantin Sergeevich
Dr. Sc. (Engineering), Kurnakov Institute of General And Inorganic Chemistry of the RAS, Moscow, Russia [email protected]
DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2018.9.1.729-733 УДК 546.05, 666.3-16, 535.8
КЕРАМИКА НА ОСНОВЕ АЛЮМОМАГНЕЗИАЛЬНОЙ ШПИНЕЛИ С ДОБАВКОЙ ОКСИДА БОРА М. О. Сенина, Д. О. Лемешев, М. С. Педченко, Н. А. Попова, Е. С. Лукин
Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, г. Москва, Россия Аннотация
Рассматривается получение прекурсора керамики на основе алюмомагнезиальной шпинели (АМШ) методом термического синтеза, а также изучение влияния добавки оксида бора на спекание керамики из АМШ и свойства получаемых изделий. Ключевые слова:
прозрачная керамика, оптическая керамика, алюмомагнезиальная шпинель, синтез шпинели, вакуумное спекание.
CERAMICS BASED ON ALUMINUM MAGNESIUM SPINEL WITH BORON OXIDE ADDITIVE
M. O. Senina, D. O. Lemeshev, M. S. Pedchenko, N. A. Popova, E. S. Lukin
D. I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
Abstract
The article deals with the preparation of a ceramics precursor on the basis of aluminum magnesium spinel (AMSh) by the method of thermal synthesis, as well as the study of effect of boron oxide addition on sintering of AMSh ceramics and on the properties of the products obtained. Keywords:
transparent ceramics, optical ceramics, aluminum magnesium spinel, spinel synthesis, vacuum sintering.
Керамика на основе алюмомагниевой шпинели находит широкое применение в металлургии, радиотехнике, химическом производстве, системе защиты и бронирования и рассматривается как перспективная в ядерной энергетике, поэтому изучение свойств и методов получения прозрачной оптической керамики из данного вида шпинели является очень актуальной темой для исследования [1].
Сейчас большое количество внимания уделяется развитию прозрачной керамики, так как она находит широкое применение во многих областях. В связи с этим, достигнутые успехи в керамической технологии тесно связаны с развитием технологии высокодисперсных порошков и теории спекания, знание которых помогает решить многие сложные задачи, связанные с созданием новых материалов.
Прозрачная керамика из алюмомагниевой шпинели используется как инертная матрица в ядерном топливе, матрица в мишенях для превращения актиноидов, а также для иммобилизации радиоактивных отходов. Находит распространение как элемент оптики космических телескопов, защитных обтекателей, колпаков и окон для ракет, выводных окон УФ- и ИК-лазерных устройств, прозрачная броня и т. д. [1, 2].
Наличие пор, даже 3 %, делает керамику непрозрачной из-за низкого коэффициента преломления газовой фазы, находящейся в закрытых порах, для выведения которой применяют добавки, образующие твердый раствор c основной фазой. Полученный материал должен иметь пористость, сведенную к минимальному значению и плотность [2].
Достичь высокоплотного состояния керамики, являющего необходимым при создании прозрачного материала, можно лишь путём ограничения процесса рекристаллизации, замедлением его настолько, чтобы обеспечить удаление пор до начала этого процесса. Этого удаётся добиться только при введении добавок, которые также называют уплотняющими [3].
Одним из наиболее эффективных методов, позволяющим снизить температуру и продолжительность спекания и получить плотную керамику, является введение спекающей добавки В2О3.
Данное исследование направлено на получение прекурсора керамики на основе алюмомагнезиальной шпинели и изучение влияния добавки оксида бора на свойства получаемых изделий.
Исходным сырьем для получения порошка АМШ являлись гидроксид алюминия марки «Ч» и гидрокарбонат магния марки «Ч». Соотношение оксида алюминия к оксиду магния 50 : 50 мол. %. Смесь в заданном соотношении прокаливали в диапазоне температур от 1000 до 1200 °С в течение 1 ч. Добавку оксида бора вводили сухим способом в планетарной мельнице. Заготовки изготавливали методом полусухого прессования при давлении 100 МПа. Обжиг проводился в два этапа. На первом — удаление ВТС из заготовки, которое проводили при 600 °С. На втором — обжиг в вакууме при температуре 1650 °С для достижения высокоплотного состояния керамики.
Для определения температур обжига проводили дифференциально-термический анализ полученной смеси. Данные ДГА показаны на рис. 1.
Температура, °С
0 \ 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 12<
Рис. 1. Результат дифференцально-термического анализа смеси карбоната магния с глинозёмом
По данным дифференциально-термического анализа синтез алюмомагнезиальной шпинели начинается при 320 °С и заканчивается при 700 °С. Для более полного прохождения образования фазы шпинели, а также для совершенствования структуры полученную смесь прокаливали в диапазоне температур от 1000 до 1200 °С. Микроструктура порошка исследовали методом сканирующей электронной микроскопии (рис. 2, а-в).
а) б) в)
Рис. 2. Фотографии микроструктуры порошков АМШ, полученных: а — при 1000 °С; б — 1100 °С; е — 1200 °С
Согласно данным анализа, алюмомагнезиальная шпинель представлена полифракционным порошком. Имеется большое количество агломератов сферической формы размером 30-60 мкм. Кроме того, в порошке присутствуют частицы пластинчатой формы больших размеров 10-20 мкм. Выявлено также, что температура синтеза не оказывает значительного влияния на структуру порошка.
После обжига у образцов определили открытую пористость и среднюю плотность методом гидростатического взвешивания. Результаты приведены на рис. 3 и 4.
Рис. 3. Влияние температуры синтеза АМШ и добавки на открытую пористость образцов
Рис. 4. Влияние температуры синтеза АМШ и добавки на открытую пористость образцов
Результаты исследования позволяют сделать вывод о том, что при введении добавки в образцы с ростом температуры синтеза порошка алюмомагнезиальной шпинели открытая пористость приобретает достаточно низкие показатели, а средняя плотность — высокие по сравнению с образцами, в которых отсутствует спекающая добавка.
Это объясняется тем, что спекающая добавка действует сначала по механизму жидкофазного спекания, а потом испаряется при температуре 450 °С. При этом частицы располагаются вплотную друг к другу, и после испарения добавки спекание проходит по твёрдофазовому механизму.
Метод термического синтеза является перспективным для получения порошков АМШ с малыми экономическими затратами. Полученные таким образом порошки обладают полифракционным составом, состоят из агломератов сферической формы размером до 50 мкм. Согласно литературным данным, данная структура позволяет получать керамику с высокими оптическими свойствами. Введение добавки В2О3 в шпинель способствует образованию более плотных образцов с низким содержанием открытых пор в структуре. С увеличением температуры синтеза средняя плотность растёт, а открытая пористость уменьшается. Однако следует отметить, что целесообразным является увеличение концентрации данной добавки.
Литература
1. Ледовская Е. Г. Низкотемпературный синтез магний-алюминиевой шпинели // Вопросы атомной науки и техники. 2004. № 1. С. 160-162.
2. Хасанов О. Л., Бикбаева З. Г. Наноструктурная керамика. Порошковые технологии компактирования конструкционных материалов. Томск: Изд. Томского политехнического университета, 2009. С. 41.
3. Лукин Е. С. Современная высокоплотная оксидная керамика с регулируемой микроструктурой. Ч. 4. Технологические методы получения высокодисперсных порошков оксидов для многокомпонентной оксидной керамики // Огнеупоры и техническая керамика. 1996. № 9. С. 2-10.
Сведения об авторах
Сенина Марина Олеговна
аспирант, Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, г. Москва, Россия
Лемешев Дмитрий Олегович
кандидат технических наук, доцент, Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева,
г. Москва, Россия
diolem@muctr. га
Педченко Мария Сергеевна
студент, Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, г. Москва, Россия
Попова Нелля Александровна
старший преподаватель, Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, г. Москва, Россия
Лукин Евгений Степанович
доктор технических наук, профессор, Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, г. Москва, Россия Мш. [email protected]
Senina Marina Olegovna
Post-Graduate Student, D. I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
Lemeshev Dmitry Olegovich,
PhD (Engineering), Associate Professor, D. I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia diolem@muctr. ru Pedchenko Maria Sergeevna
Student, D. I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
Popova Nelya Alexandrovna
Senior Tutor, D. I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
Lukin Evgeny Stepanovich,
Dr. Sc. (Engineering), Professor, D. I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia Russia [email protected]
DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2018.9.1.733-737 УДК 539.264 : 661.683 : 004.94
ПОСТРОЕНИЕ И АНАЛИЗ МОДЕЛЕЙ СТРУКТУРЫ МЕТАЛЛОСИЛИКАТНЫХ КОМПОЗИТОВ Н. С. Скорикова, А. Д. Фофанов, Д. С. Крупянский
Петрозаводский государственный университет, г. Петрозаводск, Россия Аннотация
Представлены результаты исследования металлосиликатных композитов методами рентгенографии, сканирующей электронной микроскопии и компьютерного моделирования. Установлено, что на микронном и субнанометровом уровне в исследуемых образцах присутствуют неоднородности в распределении ионов Na и металлов-модификаторов. Рассмотрены два пути описания структурно-неоднородного состояния композитов: в рамках модели хаотически разориентированных кристаллитов различной природы и путем моделирования методом молекулярной динамики в ионном приближении. Ключевые слова:
жидкое стекло, рентгеноструктурный анализ, ближний порядок, моделирование атомной структуры.
DESIGN AND ANALYSIS OF METAL-SILICATE COMPOSITES STRUCTURE MODELS N. S. Skorikova, A. D. Fofanov, D. S. Krupyanskiy
Petrozavodsk State University, Petrozavodsk, Russia Abstract
The paper presents the results of the investigation of metallosilicate composites by X-ray diffraction, scanning electron microscopy and computer simulation. It was found that inhomogeneities in the distribution of Na ions and modifier metals in the samples under study are present at the micron and subnanometric levels. Two ways of describing the composites structure-inhomogeneous state are considered: within the framework of a model of randomly disoriented ultrasmall crystallites having various composition and structure, and by molecular dynamics simulation in the ionic approximation. Keywords:
liquid glass, XRD, short-range order, atomic structure modeling.
Актуальной задачей современного материаловедения является разработка, синтез и получение в максимально короткие сроки исходных данных для промышленного производства важнейших химических продуктов и материалов с улучшенными потребительскими свойствами. При этом все большее внимание исследователей привлекают к себе композиты на основе жидкого стекла (ЖС). Высокий интерес обусловлен тем, что указанные материалы обладают широким спектром ценных свойств, экологической чистотой производства и применения, негорючестью и нетоксичностью, а также во многих случаях дешевизной и доступностью исходного сырья [1, 2]. Свойства зависят от структурной организации, которая должна быть известна для прогнозирования поведения композитов в различных условиях, и самым экономичным способом получения информации об атомном строении является компьютерное моделирование. В случае кристаллов, обладающих трансляционной симметрией, структура однозначно определяется элементарной ячейкой. Однако материалы на
