Получение спекающих добавок эвтектического состава для керамики на основе карбида кремния золь-гель методом

DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2018.9.1.562-565 УДК 666.3-13

ПОЛУЧЕНИЕ СПЕКАЮЩИХ ДОБАВОК ЭВТЕКТИЧЕСКОГО СОСТАВА ДЛЯ КЕРАМИКИ НА ОСНОВЕ КАРБИДА КРЕМНИЯ ЗОЛЬ-ГЕЛЬ МЕТОДОМ

М. А. Вартанян, Н. А. Макаров, М. Д. Мараракин, Е. Е. Назаров, Э. А. Есин

Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, г. Москва, Россия Аннотация

Показана принципиальная возможность получения спекающих добавок в тройных оксидных системах MgO — AhO3 — Y2O3 и CaO — AhO3 — Y2O3, пригодных для интенсификации процесса уплотнения керамики на основе карбида кремния, с использованием золь-гель метода в качестве способа синтеза, а также применение СВЧ-сушки для получения прекурсоров для дальнейшего синтеза эвтектических композиций. Ключевые слова:

карбид кремния, эвтектические добавки, золь-гель метод, СВЧ сушка.

OBTAINING OF EUTECTIC SINTERING ADDITIVES FOR CERAMICS BASED ON SILICON CARBIDE BY SOL-GEL PROCESS

M. A. Vartanyan, N. A. Makarov, M. D. Mararakin, E. E. Nazarov, E. A. Esin

D. I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia Abstract

We have showed that there's a possibility to obtain sintering additives in triple MgO — AhO3 — Y2O3 and CaO — AhO3 — Y2O3 systems which can intensify the process of sealing the ceramics on the basis of silicon carbide with the help of sol-gel process. We used microwave drying to obtain precursors for further synthesis of eutectic compounds. Keywords:

silicon carbide, eutectic additives, sol-gel process, microwave drying.

Карбид кремния является перспективным конструкционным материалом. Материалы на основе карбида кремния обладают высокими прочностными характеристиками, высокой химической стойкостью, а также термостойкостью. Благодаря своим свойствам он находит широкое применение в различных сферах науки и техники. Высокая доля ковалентности химических связей и низкие коэффициенты самодиффузии затрудняют процесс уплотнения карбида кремния, что вынуждает осуществлять поиск новых технологических решений для интенсификации процесса спекания. Одним из таких решений является введение добавок, образующих жидкую фазу в процессе спекания. Результатом применения таких добавок является снижение температуры обжига, а также улучшение основных эксплуатационных свойств материала [1]. На сегодняшний день актуально применение химических методов синтеза добавок, поскольку они позволяют получать порошки с заданным набором свойств, поэтому большое количество работ посвящено данной проблеме [2-5]. Установлено [3], что наиболее эффективным является применение эвтектических композиций в качестве спекающих добавок в системах MgO — AI2O3 — Y2O3 и CaO — AI2O3 — Y2O3. Перспективным является золь-гель метод получения нанопорошков. Он дает возможность синтезировать композиции с заданными характеристиками, а также прост в исполнении [6]. Применение СВЧ-сушки взамен конвективного метода позволяет ускорить процесс удаления влаги, уменьшить опасные выбросы, а также снизить энергозатраты.

Экспериментальная часть

Целью настоящего исследования является разработка способа получения эвтектических композиций в системах MgO — Al2O3 — Y2O3 и CaO — Al2O3 — Y2O3 , пригодных для использования в качестве добавок, образующих жидкую фазу при спекании керамики на основе карбида кремния, с применением золь-гель метода, а также сравнительный анализ влияния способа сушки и оценка влияния технологических параметров на свойства порошков. Выбор данных оксидных систем основан на приведенных в работе [7] результатах термодинамического анализа реакций взаимодействия оксидов с карбидом кремния, где показано, что MgO, CaO, AI2O3 и Y2O3 не взаимодействуют с SiC в широком интервале температур 1150-1950°С. Также в работе [8] установлено, что эвтектический расплав в данной системе хорошо смачивает поверхность карбида кремния при температурах обжига керамики (1800-1900 °С). Эти факторы являются важными критериями при выборе спекающих добавок. В табл. 1 представлены химические составы добавок, и их температуры плавления.

Составы добавок

Добавка Оксид Температура плавления, ^

CaO Al2Oз Y2Oз MgO

MgO — Al2Oз — Y2Oз 32,0 37,0 31,0 - 1675

CaO — Al2Oз — Y2Oз - 43,0 50,9 6,1 1775

Для синтеза эвтектических композиций использованы кристаллогидраты солей алюминия, иттрия, кальция и магния. В работе применяется модификация золь-гель метода, разработанная в РХТУ им. Д. И. Менделеева [9]. Сущность данного метода заключается в получении геля высокомолекулярного полимера, в данном случае поливинилового спирта (ПВС), с распределенным в нем истинным раствором исходных солей. Для реализации указанного метода исходные соли в строго стехиометрических соотношениях растворяли в заранее приготовленном растворе поливинилового спирта. Растворение проводили при нагревании до температур 40-50 °С и перемешивании. Полученный раствор выдерживали в течение 24 ч при комнатной температуре для завершения процесса гелеобразования. Гель высушивали до постоянной массы конвективным способом в сушильном шкафу, а также с использованием СВЧ-излучения. Изображения микроструктуры полученных ксерогелей представлены на рис.1.

Рис. 1. Фотографии микроструктуры ксерогелей при увеличении х10000 в системах MgO — AЮз — Y2Oз

Ксерогель на основе магниевой системы имел аморфную структуру, установить отдельный элемент было невозможно (рис. 1, а). В свою очередь, ксерогель на кальциевой основе имел пористую, неровную структуру (рис. 1, б).

Термообработку подготовленных таким образом ксерогелей проводили в электропечи с нагревателями из карбида кремния. Температуры синтеза выбраны на основании данных дифференциально-сканирующей калориметрии и приведены в табл. 2.

Таблица 2

Температуры синтеза добавок

Система Температура синтеза, °С

СВЧ-сушка конвективная сушка

MgO — Al2Oз — Y2Oз 850 1000

CaO — Al2Oз — Y2Oз 750 850

Для определения основных кристаллических фаз, слагающих полученные порошки, проведен рентгенофазовый анализ. Результаты РФА для исследуемых систем приведены в таблицах 3 и 4.

Фазовый состав синтезированных порошков в системе MgO — Al2O3 — Y2O3

Способ сушки Температура синтеза, °С

850 1000

Конвективная YOCl, Al2MgO4, Y4AI2O9 Y3Al5Ol2

СВЧ Y3AI5O12 Y3Al5Ol2

Таблица 4

Фазовый состав синтезированных порошков в системе CaO -- Al2O3 -- Y2O3

Способ сушки Температура синтеза, °С

750 850

Конвективная YAlO3, Ca3Al2O6, Y2O3, YOCl YOCl, Y3AlsOi2, 12CaO-7AhO3

СВЧ Y3AlsOi2 Y3AlsOi2

Из данных РФА следует, что при использовании конвективной сушки характерны повышенные температуры образования целевой фазы алюмоиттриевого граната, в то же время применение СВЧ-сушки позволяет получить целевую фазу при более низких температурах. Отсутствие фаз с содержанием кальция и магния объясняется тем, что при температурах синтеза они находятся в рентгеноаморфном состоянии.

Стоит отметить, что в синтезированных при более низких температурах образцах 850 и 750 °С соответственно по результатам энергодисперсионного анализа наблюдается незначительное содержание сорбированного хлора — не более 1 мас. %. Микроструктура порошков, синтезированных после применения СВЧ-сушки для получения ксерогелей, представлена на рис. 2.

Рис. 2. Фотографии микроструктуры MgO — AI2O3 — Y2O3, полученной при 750 °С (а), с увеличением x5000 и CaO — AI2O3 — Y2O3, полученной при 850 °С (б), с увеличением x3000

Образец в кальциевой системе имеет более пористую и рыхлую структуру в отличие от магниевой системы. Это можно объяснить меньшей температурой синтеза добавки и, как следствие, меньшей склонностью порошка к агрегации.

Выводы

Анализируя полученные результаты по золь-гель синтезу эвтектических композиций в системах MgO — Al2O3 -- Y2O3 и CaO -- Al2O3 -- Y2O3 с применением СВЧ-сушки, можно сделать вывод о принципиальной возможности применения данной технологии для синтеза спекающих добавок. Применение СВЧ-сушки позволяет интенсифицировать процесс удаления влаги и минимизировать энергопотребление. Также стоит отметить, что в магниевой системе применение СВЧ-сушки приводит к образованию ксерогеля с аморфной микроструктурой. Определены температуры синтеза: 750 °С для кальциевой системы и 850 °С для магниевой, увеличение температур синтеза до 850 и 1000 °С не приводит к улучшению свойств получаемых добавок. Таким образом, предпочтительнее использование в качестве спекающих добавок эвтектические композиции, синтезированные при температурах 850 и 750 °С соответственно, после СВЧ-сушки геля. Такие добавки не

только имеют более дефектную микроструктуру, но и требуют гораздо меньшего времени и энергозатрат для синтеза по сравнению с добавками, в процессе синтеза которых использовался конвективный метод удаления влаги из геля. Морфология полученных порошков свидетельствует о дефектности их микроструктуры, что, в свою очередь, будет благоприятно влиять на уплотнение карбидокремниевой керамики.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках базовой части Госзадания, соглашение № 10.6309.2017/БЧ.

Литература

1. Гаршин А. П. Керамика для машиностроения. М.: Научтехлитиздат, 2003. 384 с.

2. Влияние методов предварительного синтеза сложных оксидов на уплотняемость жидкофазноспеченных карбидкремниевых материалов / С. Н. Перевислов и др. // Огнеупоры и техническая керамика. 2015. № 7-8. С. 30-35.

3. Житнюк С. В. Керамика на основе карбида кремния, модифицированная добавками эвтектического состава: дис. ... канд. техн. наук. М.: РХТУ им. Д. И. Менделеева, 2015. 174 с.

4. Huang Z. H., Jia D. C., Liu Y. G. A new sintering additive for silicon carbide ceramic // Ceramics International. 2003. Vol. 29, no. 1. P. 13-17.

5. Ваганова М. Л., Гращенков Д. В., Солнцев С. С. Модифицирующие компоненты для повышения эксплуатационных свойств высокотемпературных композиционных материалов конструкционного назначения // Огнеупоры и техническая керамика. 2013. №. 6. С. 12-18.

6. Беков Н. Н., Досовицкий В. И. Нетрадиционные методы синтеза сегнетоматериалов на основе ЦТС // Химическая промышленность. 1990. № 1. С. 27-29.

7. Термодинамический анализ как способ выбора модификаторов в технологии керамики из карбида кремния / Н. А. Макаров и др. // Стекло и керамика. 2016. № 12. С. 18-22.

8. Изучение смачивания карбида кремния оксидными расплавами / Н. А. Макаров и др. // Техника и технология силикатов. 2016. № 4. С. 7-17.

9. Файков П. П. Синтез и спекаемость порошков в системе MgO — Al2O3, полученных золь-гель методом: дис. ... канд. техн. наук. М.: РХТУ им. Д. И. Менделеева, 2007. 163 с.

Сведения об авторах

Вартанян Мария Александровна

Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева Макаров Николай Александрович

Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева Мараракин Максим Дмитриевич

Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева Назаров Евгений Евгеньевич

Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева Есин Эдуард Алексеевич

Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева Vartanyan Maria Aleksanrovna

D. I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia Makarov Nikolai Aleksandrivich

D. I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia Mararakin Maxim Dmitrievich

D. I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia Nazarov Evgeniy Evgenjevich

D. I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia Esin Eduard Alekseevich

D. I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia

DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2018.9.1.565-570 УДК 539.213.27 : 548.5

ФОРМИРОВАНИЕ НАНОКОМПОЗИТНОЙ СТРУКТУРЫ В АМОРФНОМ МАГНИТНО-МЯГКОМ СПЛАВЕ Fe70,8Co10B10Si1,5P7Cu0,7 В ПРОЦЕССЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

С. В. Васильев12, Е. А. Свиридова1, Т. М. Мика3, В. И. Ткач1

1 ГУ «Донецкий физико-технический институт им. А. А. Галкина», г. Донецк, Украина

2 ГО ВПО «Донбасская национальная академия строительства и архитектуры», г. Макеевка, Украина

3 Институт металлофизики им. Г. В. Курдюмова НАН Украины, г. Киев, Украина

Аннотация

Приведены результаты экспериментальных исследований процесса кристаллизации аморфного магнитно-мягкого сплава Fe70,8Co10B10Si1,5P7Cu0,7 в изотермических условиях и при нагреве с постоянной скоростью. Установлены режимы термической обработки, приводящие

, г. Москва, Россия , г. Москва, Россия , г. Москва, Россия , г. Москва, Россия , г. Москва, Россия