CC BY
99
УДК 546.05, 666.3-16, 535.8
Сенина М.О., Журба Е.В., Русакова Л.Ю., Педченко М.С., Лемешев Д.О.
СИНТЕЗ ПОРОШКОВ АЛЮМОМАГНЕЗИАЛЬНОЙ ШПИНЕЛИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПРОЗРАЧНЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Сенина Марина Олеговна, аспирант 2 года кафедры химической технологи керамики и огнеупоров, e-mail: [email protected]
Журба Елена Владимировна, обучающийся группы МН-24 кафедры химической технологи керамики и огнеупоров
Русакова Любовь Юрьевна, обучающийся группы Н-46 кафедры химической технологи керамики и огнеупоров Педченко Мария Сергеевна, обучающийся группы ЗДО-41 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
Рассмотрены перспективы применения оптически прозрачной керамики на основе алюмомагниевой шпинели в различных областях. Методом термического синтеза получен прекурсор шпинели. Показано влияние температуры синтеза на структуру и фазовый состав порошка MgAl2O4.
Ключевые слова: прозрачная керамика, оптическая керамика, алюмомагниевая шпинель, синтез шпинели
SYNTHESIZING OF MAGNESIUM-ALUMINATE SPINEL POWDERS FOR THE PRODUCTION OF TRANSPARENT CERAMIC MATERIALS
Senina M.O., Zhurba E.V., Rusakova L. Yu., Pedchenko M. S., Lemeshev D.O.
D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia.
Prospects of use optically of transparent ceramics basis of magnesium-aluminate spinel in various areas are considered. The spinel precursor was prepared by the method of thermal synthesis. The influence of the synthesis temperature on the structure and phase composition of the MgAl2O4 powder is shown.
Key words: transparent ceramics, optical ceramics, magnesium-aluminate spinel, spinel synthesis
В настоящее время существует высокий спрос на качественные материалы для различных областей применения, в которых помимо высоких механических характеристик необходима частичная или полная прозрачность в заданном спектральном диапазоне. Особенно возрос интерес к разработке прозрачных бронематериалов для военных и гражданских целей. Поэтому очень актуальной является проблема поиска новых материалов, которые смогут использоваться для изготовления пулезащитных окон военной и гражданской автобронетехники, самолетов и вертолетов, забрал для шлемов и смотровых окон бронещитов, банков и офисов [1].
На сегодняшний день очень эффективно использование композиционной брони, имеющей в составе несколько слоев, отличающихся по свойствам. При этом можно использовать подложку из недорогих материалов, например, стеклопластика, стали или алюминия, что приводит к снижению стоимости брони. При столкновении с наружным керамическим слоем снаряд разрушается, а высокая прочность керамики при сжатии позволяет ей выдержать возникающую при ударе нагрузку. В материале снаряда появляется текучесть, и, в конечном счете, он разрушается на мелкие
фрагменты. Подложка брони останавливает эти осколки и смягчает опасность получения травмы от удара. Основными недостатками брони с керамическим лицевым слоем являются ее недостаточные ударо- и виброустойчивость [2].
Несмотря на все преимущества керамическая броня обладает двумя существенными недостатками: низкой живучестью и высокой стоимостью. Именно решение этих проблем является одной из главных задач ученых и инженеров всего мира.
На сегодняшний день прозрачная поликристаллическая керамика на основе алюмомагнезиальной шпинели (АМШ) является одним из наиболее перспективных материалов для изготовления прозрачной брони. Ее преимущество связано, прежде всего, с изотропностью структуры, так как кубическое строение решетки позволяет избежать рассеивания света из-за отличия в показателях преломления по осям кристалла, и как следствие постоянным светопропусканием до 92 % в видимой области спектра, а также более простым способом получения по сравнению с технологией выращивания монокристаллов из расплава. Керамика из MgAl2O4 имеет значительное преимущество перед AЮN вследствие большей доступности исходных порошков и меньшей
температуре горячего изостатического прессования, в процессе которого происходит спекание [2].
Оптическая керамика из АМШ представляет собой материал с исключительными механической прочностью, износостойкостью на истирание, эрозионной стойкостью, устойчивостью к одностороннему аэродинамическому удару, химической инертностью; материал механически стабилен до температуры 1250 °С (до 1500 °С при кратковременном воздействии) [3], характеризуется прозрачностью в широком спектральном диапазоне (от ультрафиолетовой (УФ) до инфракрасной (ИК) области спектра).
Каждый технологический передел при создании оптически прозрачных керамических материалов имеет ряд особенностей. Одно из главных мест в технологии шпинельной керамики занимает предварительный синтез шпинели, без которого невозможно спекание материала до высокоплотного состояния.
В керамике наблюдается наследование последующей фазой структуры предыдущей, поэтому особое внимание следует уделять чистоте исходных соединений. Помимо этого, наличие примесей сильно тормозит процесс образования шпинели.
Методы получения порошков можно классифицировать по различным принципам, например [4]:
1) Осаждение из газовой фазы - при этом образование частиц происходит в результате конденсации или химической реакции компонентов газовой фазы или разложения).
2) Синтез в водных растворах - в этом случае фазообразование протекает за счет химических реакций обмена, разложения, полимеризации, кристаллизации.
3) Твердофазные реакции - позволяют получить связнодисперсную систему частиц (образование кристаллов при термообработке).
Одним из распространенных методов создания порошков АМШ является термический синтез из исходных солей. Метод достаточно прост в исполнении и заключается в прокаливании смеси исходных компонентов, взятых в определенном соотношении.
Установлено, что процесс шпинелеобразования зависит от многих факторов: дисперсности исходных компонентов, их природы и вида примесей, специально введенных добавок, условий отжига и т.д. Образование шпинели начинается при 397-497 °С [5]. Хорошая кристаллизация шпинели наблюдается, как правило, при температуре выше 1000 °С.
Целью исследования являлось получение порошка АМШ методом термического синтеза. В
качестве исходных материалов использовались MgCO3 и А1(ОН)3, которые смешивались в шаровой мельнице в течение 12 ч с учетом потерь при прокаливании при заданном соотношении оксид магния:оксид алюминия - 50:50 мол. %. С целью определения дальнейших температур обжига проведен дифференциально-термический анализ смеси, результаты которого представлены на рис.1.
Температура, °С
0 100 200 300 400 500 600 700 300 900 1000 1100 1200
Рис.1 - Термограмма смеси MgCOз и А1(ОН)3
По данным ДТА порошка кристаллизация шпинели начинается при температуре 620 °С и заканчивается при 850 °С.
Для более полного прохождения образования фазы шпинели MgAl2O4, а также для совершенствования структуры порошка полученную смесь прокаливали в диапазоне температур от 1000 до 1200 °С.
Порошок исследовался методами
рентгенофазового анализа и сканирующей электронной микроскопией.
На рис. 2 (а-в) представлены фотографии микроструктуры порошков алюмомагнезиальной шпинели.
При получении прозрачной керамики значение имеет размер кристаллов исходного порошка. Но значительное влияние оказывает изменение размера частиц от 1-2 мкм до 10-12 мкм. В дальнейшем величина кристаллов не имеет особого значения, и прозрачную керамику можно получить как из порошка с размером частиц 10 мкм, так и 100 мкм [6].
Полученные порошки имеют полифракционный состав. Имеется большое количество агломератов сферической формы размером 20-50 мкм.
5£Ы НУ: 3.D kV ¥№l«.?4mm | им! te3can
View lltld: ММ ¡im Der se и |n
SEM UAG: 2.ВО hx рфцсэ лен мю рчь
«ЕМ HV; KJ> hV WO: 1* Я mm ^ Viro iieM: 1&1 tun det SE 20
РФЦСЭ пн иЮРФ
Рис. 2 - Фотографии микроструктуры порошков шпинели, полученных при: а) 1000 °С; б) 1100 °С; в) 1200 °С
Кроме этого, в порошке присутствуют частицы пластинчатой формы сравнительно небольших 1.
размеров (2-10 мкм). Полученное распределение частиц может положительно сказываться на прозрачность получаемого материала. Следует отметить, что температура синтеза не оказывает сильного влияния на структуру получаемого 2.
порошка.
Данные рентгенофазового анализа, проведенного для порошка, полученного 1200 °С, позволяют 3.
сделать вывод о том, что при данной температуре образование чистой фазы алюмомагнезиальной шпинели не происходит, о чем свидетельствует наличие посторонних фаз. В связи с этим целесообразным является синтез шпинели MgAl2O4 при более высокой температуре. 4.
Таким образом, по результатам работы показана перспектива получения порошка АМШ методом термического синтеза. В ходе исследования получены порошки алюмомагнезиальной шпинели.
Анализируя полученные данные, также данные 5.
работ, проведенных ранее на кафедре ХТКиО, можно сказать, что подобные порошки могут быть использованы для получения прозрачного 6.
керамического материала.
Литература
Sintering to transparency of polycrystalline ceramic materials / М. Suárez, А. Fernández-Camacho, R. Torrecillas, J. L. Menéndez // Sintering of Ceramics - New Emerging Techniques. - 2012. - р. 527-552. Легкие баллистические материалы. Под ред. Бхатнагара А. - М.: «Техносфера». - 2011. -392 с.
Шарыпин В.В., Повышение оптической прозрачности керамики MgAl2O4 при применении двухстадийного одноосного прессования / В.В. Шарыпин, С.К. Евстропьев. // Оптический журнал. Т.83. №3. С.60-65.
Мамонова Д.В. Синтез и исследование свойств наночастиц сложных оксидов на примере алюмоиттриевого граната и феррита висмута: Дис. к.х.н. / СПбГУ. Санкт-Петербург. 2015. 136 с. Выдрик Г.А. Прозрачная керамика / Г.А. Выдрик, Т.В. Соловьева, Ф.Я. Харитонов. М.: Энергия. 1980. 96 с.
Лукин, Е.С. Теоретические основы получения и технология оптически прозрачной керамики. Учебное пособие. -М. - МХТИ им. Д.И. Менделеева. - 1982. -36 с.
