CC BY
9Научная статья УДК 544.016
doi:10.37614/2949-1215.2023.14.3.004
СИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ В СИСТЕМЕ SrO-Al2O2-SiO2
Екатерина Александровна Балабанова1, Наталья Геральдовна Тюрнина2, Зоя Геральдовна Тюрнина3, Ирина Георгиевна Полякова4
1-4 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени
Институт химии силикатов имени И.В. Гребенщикова РАН, г. Санкт-Петербург, Россия
1balabanova. e. [email protected]_http://orcid. org/0000-0003-1784-7542
2turnina. [email protected], http://orcid. org/0000-0001-9410-8917
3turnina. zg@iscras. ru, http://orcid. org/0000-0003-3134-7309
[email protected], Scopus ID 57192396310
Аннотация
В системе SrO-AhO2-SiO2 синтезировано методом твердофазового синтеза 14 образцов. Степень взаимодействия исходных реагентов в процессе синтеза контролировалась с помощью рентгенофазового анализа на дифрактометре ДРОН-3М с использованием CuKa-излучения. Идентификация кристаллических фаз проводилась с помощью базы данных порошковой дифрактометрии PDF-2. В образцах были идентифицированы следующие кристаллические фазы: SrAhSi2O8; SrAli2Oi9; S^AhSiOz; SrAhO4; Sr2SiO4; Sr3AhO6; Sr4Al2O7; SraSiOs; Sr6Ali8Si2O37; AI2O3.
Приведены результаты исследования физико-химических и механических свойств образцов синтезированных в системе SrO-AhO2-SiO2. Определены температурные коэффициенты линейного расширения, значения плотностей, температур плавления, модуля Юнга. Значения полученных характеристик в синтезированных образцах делают их перспективными для использования в качестве материалов широкого технического назначения. Ключевые слова:
алюмосиликаты стронция, РФА, ТКЛР, плотность, модуль Юнга, температуры плавления Финансирование:
работа выполнена в рамках государственного задания на НИР ИХС РАН (№ 0081-2022-0005), субсидия Минобрнауки России. Для цитирования:
Синтез и исследование физико-химических и механических свойств в системе SrO-AhO2-SiO2 / Е. А. Балабанова, Н. Г. Тюрнина, З. Г. Тюрнина, И. Г. Полякова // Труды Кольского научного центра РАН. Серия: Технические науки. 2023. Т. 14, № 3. С. 27-32. doi:10.37614/2949-1215.2023.14.3.004.
Original article
SYNTHESIS AND INVESTIGATION OF PHYSICO-CHEMICAL AND MECHANICAL PROPERTIES IN THE SrO-Al2O2-SiO2 SYSTEM
Ekaterina. A. Balabanova1, Natalia G. Tyurnina2, Zoya G. Tyurnina3, Irina G. Polyakova4
1-4Federal State Budgetary Institution of Institute of Chemistry of Silicates. I.V. Grebenshchikov of the RAS
(ICS RAS), St. Petersburg, Russia
[email protected],_0000-0003-1784-7542
[email protected], 0000-0001-9410-8917
[email protected], 0000-0003-3134-7309
[email protected], Scopus ID 57192396310
Abstract
14 samples were prepared in the SrO-AhO2-SiO2 system by solid-phase synthesis. The degree of interaction of the initial reagents during the synthesis was controlled by X-ray phase analysis on a DRON-3M diffractometer using CuKa radiation. The identification of crystalline phases was carried out using the PDF-2 powder diffractometry database. The following crystalline phases were identified in the samples: SrAhSi2O8; SrAli2Oig; S^AhSiOz; SrAhO4; Sr2SiO4; Sr3Al2O6; S^AhOz; Sr3SiOs; Sr6Ali8Si2O37; АЮ3.
The results of a study of the physicochemical and mechanical properties of samples synthesized in SrO-AhO2-SiO2 system are presented. The temperature coefficients of linear expansion, the values of densities, melting temperatures, and Young's modul were determined. The values of the characteristics obtained for the samples under investigation make them promising for use as materials for a wide range of technical applications.
Keywords:
strontium aluminosilicates, X-ray phase analysis, temperature coefficients of linear expansion, density, Young's modulus, melting points Funding:
The work was carried out within the framework of the state task for research in Institute of Silicate Chemistry, Russian Academy of Sciences (No. 0081-2022-0005), subsidy of the Ministry of Education and Science of Russia. For citation:
Synthesis and investigation of physico-chemical and mechanical properties in the SrO-AhO2-SiO2 system / E. A. Balabanova, N. G. Tyurnina, Z. G. Tyurnina, I. G. Polyakova // Transactions of the Ко1а Science Centre of RAS. Series: Engineering Sciences. 2023. Vol. 14, No. 3. P. 27-32. doi:10.37614/2949-1215.2023.14.3.004.
Введение
Фундамент развития техники составляет знания о свойствах материалов. В последние несколько лет существенно возросло количество изучаемых материалов, представляющих большой интерес в области разработки новых материалов. Эти работы включают как фундаментальные, так и прикладные исследования. Наибольшие усилия сосредоточены в области фундаментальных исследованиях.
Разработка новых прогрессивных материалов, которые обладают специфическими физико-химическими, механическими, термическими, электрическими свойствами, предопределяет возможность совершенствования конструкций различных изделий широкого технического профиля, а также повышению их характеристик. Конструкционные материалы в процессе эксплуатации могут подвергаться воздействию экстремально высоких температур [1].
Материалы на основе систем SrO-AhO3-SiO2 (SAS), обладающие высокими температурами плавления, повышенной термостойкостью, высокой механической прочностью [2-4], являются перспективной областью исследования.
Целью данной работы являлся синтез образцов, изучение процессов фазообразования, исследования физико-химических и механических свойств в системе SrO-Al2O2-SiO2.
Результаты исследований
В данной работе методом твердофазового синтеза (ТФС) в системе SAS было синтезировано 14 образцов, часть составов которых лежат на секущей через соединение AbSi2O13 (муллит), а остальные (№ 10-14) имеют стехиометрию, отвечающую тройным соединениям в бариевой и стронциевой алюмосиликатных системах, взятых по соотношениям SrO:AhO3:SiO2: 1:1:2; 6:9:2; 2:1:1; 1:1:1; 3:3:2, фазовой диаграммы системы SrO-AhO3-SiO2 [5], химический состав которых представлен на рис. 1 и в табл. В качестве исходных реагентов использовали SrCO3, Al2O3 и SiO2 марок «чда». Для гомогенизации навеска с исходными реактивами перетиралась в планетарной шаровой мельнице Retsch PM 100 в течение 30 мин со скоростью 350 об/мин и спрессовывалась в таблетки диаметром 1 см на гидравлическом прессе при давлении в 4 т. Спрессованные образцы обжигались в муфельной печи Naberthem Top 16/R в корундовых тиглях при температуре 1250 °С в течение 12 ч. Идентификация кристаллических фаз в синтезированных образцах проводилась методом рентгенофазового анализа (РФА) на дифрактометре ДРОН-3, с помощью базы данных порошковой дифрактометрии PDF-2.
Данные РФА (см. табл.) свидетельствуют об образовании в синтезированных образцах кристаллических фаз, удовлетворительно соответствующих триангуляции, представленной в работе [5]. Исключением являются образцы 8 и 12, в которых зафиксировано кристаллическое соединение Sr4AhO7, отсутствующее на фазовой диаграмме SrO-AhO3-SiO2, по данным работы [5], но присутствующее в базе данных PDF-2 и на фазовой диаграмме тройной системы в работе [7].
Образец 9, содержащий в исходном составе 90 мол. % SrO, при последующем хранении на воздухе, взаимодействует с влагой, образуя гидроксид Sr(OH)2, который и регистрируется в образце 9 при рентгеносъемке.
На рис. 2 представлены дифрактограммы синтезированных образцов 10-14.
Рис. 1. Диаграмма треугольников сосуществующих фаз системы SrO-AhO3-SiO2 в субсолидусной области при температуре 1350 °С [5] (слева) и диаграмма плавкости системы SAS [6] (справа), синтезированные образцы отмечены ромбами
Фазовый состав образцов в системе SAS после выдержки при температуре 1250 °С в течение 12 ч
№ п/п Содержание оксидов по синтезу, мол. % Фазовый состав (основные фазы)
SrO AkO3 SiO2
1 10 54 36 AkO3; SrAl2Si2O8
2 20 48 32 SrAl2O8Si2; SrAl12O19
3 30 42 28 SreAl18SÍ2O37; Sr2Àl2SÎO7
4 40 36 24 Sr2Al2SiO7
5 50 30 20 Sr2Al2SiO7
6 60 24 16 SrAl2O4; Sr2SiO4
7 70 18 12 SrsAkOe; Sr2SiO4
8 80 12 8 Sr4Al2O7; Sr3SiO5
9 90 6 4 Sr(OH)2
10 37,5 37,5 25 Sr6Al18Si2O37, SrSiO3
11 25 25 50 SrAkO8SÍ2
12 33,3 33,3 33,34 SnAkSiO7, SrSiO3
13 50 25 25 SrAkO4, SrSiO3
14 35,3 52,93 11,77 SreAl18SÍ2O37, AkO3
Для исследования физико-химических и механических характеристик синтезированные образцы повторно измельчались в агатовой ступке до тонкости зерен порядка 60-80 мкм и спрессовывались в виде параллелепипедов 2*4*10 мм, массой 0,5-0,7 г в зависимости от плотности образца, далее обжигались при температуре 650 °C течение 2 ч.
Высокая термостойкость материала определяется, прежде всего, низкими значениями коэффициента термического линейного расширения (ТКЛР < 10,0 10~6 °СЧ). Исследование ТКЛР проводили на автоматической установке с использованием программируемого терморегулятора Термодат-16, кварцевого дилатометра и цифрового измерителя Tesatronic TT-80 с собственным измерительным щупом TESA GT 21HP в воздушной атмосфере в интервале температур 30-720 °С с постоянной скоростью нагрева 3 град-мин-1.
Плотность синтезированных образцов определяли методом гидростатического взвешивания в этиловом спирте при температуре 25 °C. Точность определения составляла ± 0,001 г/см3.
Упругие характеристики исследуемых образцов определялись акустическим методом с помощью измерителя частот собственных колебаний «Звук-130», относительная погрешность прибора 3 % [8].
О 30-1302 SrSiO3 ❖ 30-1275 SrAl2O4
A 38-1333 Sr2Al2SiO7 Л 83-2081 A12O3 * 38-1454 SrA12O8Si2 e 10-25 Sl6A118Si2O37
H* «ft £
SAS 25-25-50
SAS 33.3-33.3-33.34
SAS 37.5-37.5-25
SAS 50-25-25
T
30 40
20
60
SAS 35.3-52.93-11.77
1
70
10 20
Рис. 2. Дифрактограммы образцов 10-14, термообработанных при 1250 °С в течение 12 ч в системе SAS
Для установления температур плавления синтезированных образцов изучаемой системы, использовали высокотемпературный микроскоп (ВТМ), конструкция которого была разработана в ИХС РАН [9]. Погрешность определения температуры составляла ±20 °С.
Полученные данные по температурам плавления синтезированных в данной работе образцов согласуются со значениями температур плавления, представленных в работе [6].
Работы, посвященные исследованию ТКЛР в исследуемом интервале концентраций в системе 8гО-АЬОз-&О2 немногочисленны. Для образцов 1, 6 и 12 значения ТКЛР согласуются с полученными в работах [10-12] результатами.
Установленные в данной работе значения плотности образцов, синтезированных в системе 8гО-АЬО2-&О2, соответствуют показателям, полученным в работе [11].
В ходе работы установлено, что с увеличением содержания оксида стронция, при соотношении оксида алюминия к оксиду кремния, равном 1,5, значения ТКЛР возрастают с 510-6 до 13,27-10-6 °С-, плотность увеличивается с 2,945 до 3,713 г/см3, температура плавления образцов имеет тенденцию к увеличению, но носит нелинейный характер и лежит в интервале 1541-1696 °С, значения модуля Юнга варьируются в интервале от 50-120 ГПа.
Выводы
Исследованы физико-химические и механические свойства образцов системы 8гО-АЬО2^Ю2, а именно модуль Юнга, плотность, температура плавления, ТКЛР. Значения полученных характеристик в образцах позволяют считать, что материалы на основе исследованных образцов являются весьма перспективными и конструкционными. Высокая механическая прочность и температура плавления, низкая плотность делают их пригодными для использования в качестве материалов широко технического назначения.
Список источников
1. Технологические аспекты создания радиопрозрачных стеклокристаллических материалов на основе высокотемпературных алюмосиликатных систем (обзор) / А. С. Чайникова [и др.] // Труды ВИАМ. 2015. № 11. С. 24-37.
2. Перспективные радиопрозрачные керамические материалы для ракетной и космической техники / Г. В. Лисачук [и др.] // Вестник НТУ. Серия: Химия, химическая технология и экология. 2014. № 28. С. 72-79.
3. Structure of the BaO-Al2O3-SiO2 system (review) / G. N. Shabanova [et al.] // Glass and Ceramics. 2003. Уо1. 60, No. 1-2. P. 43-46.
4. Ceramic radiotransparent materials on the basis of BaO-AhO3-SiO2 and SrO-AbO3-SiO2 systems / G. V. Lisachuk [et al.] // J. Silicate Based Composite Mater. 2015. Ш. 67, No. 1. P. 20-23.
5. Dear P. S. Sub-Liquidus Equilibria for the Ternary System SrO-AbO3-SiO2 // Bull. Virginia Polytechnic Institute. Blacksburg, 1957. Ш. 50, No. 11. P. 3-13. Eng. Expt. Sta. Ser. 121.
6. Starczewski M. Treatise on solid-state reactions in the ternary system SrO-AbO3-SiO2, Zesz. Nauk. Politech. Sl^skiej 22. 1964. Р. 5-75.
7. Космическая техника / Г. В. Лисачук [и др.] // Ракетное вооружение. 2015. Т. 74. № 3.
8. ТУ 4276-001-31038427-2004. Измеритель частот собственных колебаний «3вук-130». М.: Изд-во стандартов, 2004. 5 с.
9. Высокотемпературный микроскоп / Н. А. Торопов [и др.] // Вестник АН СССР. 1962. № 3. C. 46-48.
10. Strontium aluminate: a novel tape material for HTCC gas sensors / K. Sahner [et al.]. 2005. cfi/Ber. DKG. 82 (13). Р. 170-173.
11. Термодинамiчнi розрахунки реакцш синтезу славсониу / G. V. Lisachuk [et al.]. ScienceRise. 2019. No. 11. Р. 32-36.
12. Bahat D. Compositional study and properties characterisation of alkaline earth feldspar glasses and glass-ceramics // J. Materials Sci. 1969. Ш. 4. Р. 855-860.
References
1. Chainikova A. S., Vaganova M. L., Schegoleva N. E., Lebedeva Y. E. Tekhnologicheskie aspekty sozdaniya radioprozrachnyh steklokristallicheskih materialov na osnove vysokotemperaturnyh alyumosilikatnyh sistem (obzor) [Technological aspects of the creation of radio-transparent glass-crystal materials based on high-temperature aluminosilicate systems (review)]. Trudy VIAM [Works of VIAM], 2015, No. 11, pp. 24-37. (In Russ.).
2. Lisachuk G. V., Krivobok R. V., Zakharov A. V., Fedorenko E. Y., Trusova Y. D. Perspektivnye radioprozrachnye keramicheskie materialy dlya raketnoj i kosmicheskoj tekhniki [Promising radio-transparent ceramic materials for rocket and space technology]. Vestnik NTU. Seriya: Himiya, himicheskaya tekhnologiya i ekologiya [Bulletin of NTU. Series: Chemistry, Chemical Technology and Ecology], 2014, No. 28, pp. 72-79. (In Russ.).
3. Shabanova G. N., Taranenkova V. V., Korogodskaya A. N., Kristich E. Structure of the BaO-AbO3-SiO2 system (review). Glass and Ceramics, 2003, Vol. 60, No. 1-2, pp. 43-46.
4. Lisachuk G. V., Kryvobok R. V., Fedorenko E. Y., Zakharov A. V. Ceramic radiotransparent materials on the basis of BaO-Al2O3-SiO2 and SrO-AbO3-SiO2 systems. Silicate based and Composite Materials, 2015, Vol. 67, No. 1, P. 20-23.
5. Dear P. S. Sub-Liquidus Equilibria for the Ternary System SrO-AbO3-SiO2. Bull. Virginia Polytechnic Institute, Blacksburg, 1957, Vol. 50, No. 11, pp. 3-13. Eng. Expt. Sta. Ser. 121.
6. Starczewski M. Treatise on solid-state reactions in the ternary system SrO-Al2O3-SiO2, Zesz. Nauk. Politech. Sl^skiej 22. 1964, рр. 5-75.
7. Lisachuk G. V., Krivobok R. V., Zakharov A. V., Fedorenko Ye. Yu., Prytkina M. S., Ryabinin A. V. Kosmicheskaya tekhnika. Raketnoye vooruzheniye [Space technology. Missile weapons], 2015, Vol. 74, No. 3. (In Russ.).
8. TU 4276-001-31038427-2004. Izmeritel' chastot sobstvennyh kolebanij "Zvuk-130" [Oscillation frequency meter "Zvuk-130"]. Moscow, 2004, 5 p.
9. Toropov N. A., Koeler E. K., Leonov A. I., Rumyantsev P. F. Vysokotemperaturnyj mikroskop [High-temperature microscope]. Vestnik AN SSSR [Bulletin of the Academy of Sciences of the USSR], 1962, No. 3, pp. 46-48. (In Russ.).
10. Sahner K., Wickles M., Schönauer D., Rettig F., Roosen A., Moos R. Strontium aluminate: a novel tape material for HTCC gas sensors. cfi/Ber. DKG, 2005, No. 82(13), рр. 170-173.
11. Lisachuk G., Fedorenko O., Kryvobok R., Zakharov A. Termodinamichni rozrahunki reakcij sintezu slavsonitu. [Thermodynamic calculations of slavsonite synthesis reactions]. ScienceRise [ScienceRise], 2019, No. 11, рр. 32-36. (In Ukr.).
12. Bahat D. Compositional study and properties characterisation of alkaline earth feldspar glasses and glass-ceramics. Journal of Materials Science, 1969, Vol. 4, pp. 855-860.
Информация об авторах
Е. А. Балабанова — аспирант, младший научный сотрудник;
H. Г. Тюрнина — кандидат химических наук, заместитель директора по научной работе; З. Г. Тюрнина — кандидат химических наук, старший научный сотрудник;
И. Г. Полякова — старший научный сотрудник.
Information about the authors
E. A. Balabanova — Graduate Student, Researcher; N. G. Tyurnina — PhD (Chemistry), Associate Director; Z. G. Tyurnina — PhD (Chemistry), Senior Researcher.
I. G. Polyakova — Senior Researcher.
Статья поступила в редакцию 31.01.2023; одобрена после рецензирования 31.01.2023; принята к публикации 01.02.2023. The article was submitted 31.01.2023; approved after reviewing 31.01.2023; accepted for publication 01.02.2023.
