Химический синтез прекурсоров кордиеритовой керамики

Р. Г. Романова, А. Ф. Дресвянников, А. Р. Абдуллина

ХИМИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ПРЕКУРСОРОВ КОРДИЕРИТОВОЙ КЕРАМИКИ

Ключевые слова: прекурсоры кордиеритовой керамики, получение, химический метод, обращенная мицеллярная система.

Химическим методом с использованием обращенной мицеллярной системы в качестве нанореактора синтезированы прекурсоры кордиеритовой керамики. Методами просвечивающей электронной микроскопии и дериватогра-фии изучены морфология и фазовые переходы полученных образцов.

Keywords: precursors cordyerite of ceramics, reception, chemical method, of reversed micelles

system.

Precursors cordyerite of ceramics was chemically obtained with the use of reversed micelles system as a nanoreactor. The morphology and phase transformation of samples have been investigated by TEM and thermic analysis.

Среди многочисленных новых керамических материалов важное место занимают материалы на основе кордиерита, отличающиеся великолепными термо- и электроизоляцио-ными свойствами, что обуславливает их широкое применение в самых различных областях техники. Кордиеритовая керамика представляет собой материал, получаемый из формовочной массы заданного химического состава из минералов и оксидов металлов. Ее свойства находятся в зависимости от взаимосвязанных между собой параметров: химического и фазового составов, макро- и микроструктуры, а также технологических приемов изготовления [1-3].

Традиционным способом получения кордиеритовой керамики является твердофазный синтез непосредственно из оксидов или из природных материалов - талька, высококачественных огнеупорных глин, искусственного технического глинозема или электроплав-ленного корунда. Однако, для получения изделий ответственного назначения, особенно керамики с оптическими, электрическими и магнитными функциями, твердофазный синтез порошков обычно не приводит к полному протеканию реакций взаимодействия, и в спеченных изделиях остаются заметные следы исходных фаз. Кроме термодинамических затруднений, кинетика таких процессов, определяемая взаимной диффузией ионов и атомов, значительно зависит от гранулометрического состава шихты. Следствием этого являются значительные разбросы в параметрах контролируемых свойств одной и той же партии образцов, которые в пьезокерамических материалах иногда превышает 30%.

В этой связи актуальными являются химические методы подготовки масс и синтеза сложных оксидов, называемых прекурсорами, последующее спекание которых гарантирует получение высокоплотной оксидной керамики с однородной структурой, обеспечивающей хорошую воспроизводимость эксплуатационных свойств [4]. Цель настоящей работы состояла в разработке методологии и метода синтеза прекурсоров кордиеритовой керамики.

Наиболее распространенным химическим способом синтеза сложных оксидов является соосаждение оксидов с использованием в качестве исходных реагентов солевых форм, а в качестве осадителей - органических кислот и гидроксидов щелочных металлов [5]. Для каждой комбинации осаждаемых продуктов должен быть подобран осадитель, его концентрация, рН, температурные условия. К несомненным достоинствам метода следует отнести гранулометрическую однородность получаемых порошков и высокую скорость осуществления процесса. При этом наблюдается значительное снижение температур синтеза сложных оксидов по сравнению с этими параметрами для подобных соединений, получаемых из механической смеси прекурсоров. Структура спекаемой керамики становится более упорядоченной, что способствует заметному улучшению комплекса свойств соответствующих изделий. Следует, однако, отметить, что при использовании этого метода в ряде случаев возникает проблема различия скоростей осаждения отдельных компонентов, которое приводит к ухудшению химической гомогенности получаемых порошков.

Одним из наиболее перспективных направлений в получении оксидов и керамических материалов на их основе является использование золь-гель технологии, получившей в последнее время широкое распространение благодаря простоте и доступности используемых реактивов и оборудования [5-8]. При термической обработке таких порошков формируются структуры, обеспечивающие однородное уплотнение, способствующее более полному и быстрому фазовому переходу при более низких температурах. Ранее нами был проведен синтез диоксида кремния в мицелярной наносистеме, представляющей собой мезо-фазу поверхностно-активного вещества с дифильным строением в органическом растворителе [9].

Синтез прекурсоров кордиеритовой керамики проводили методом соосаждения гидроксидов магния, алюминия и кремния в мицеллярной наносистеме по методике, описанной в [9]. В качестве ПАВ использовали одноосновные насыщенные карбоновые кислоты CnH2n+iCOOH, где n=9 - 15, а растворителем являлся н-гептан. Для получения прекурсоров рассчитанные количества водных растворов нитратов алюминия, магния и жидкого стекла смешивали с органической мезофазой, в которую была предварительно введена карбоновая кислота в количестве, превышающем критическую концентрацию ми-целлообразования. Полученная мезофаза представляет собой обращенную мицеллу, гидрофильная часть которой находится внутри, образуя полярное ядро, представляющее собой «нанореактор», в котором протекает формирование гетерогенной фазы оксидов алюминия, магния и кремния, являющихся прекурсорами кордиеритовой керамики. Последующее разрушение мезофазы приводит к быстрой коагуляции гидрооксидов с образованием геля. По описанной методике было получено 4 образца, которые были исследованы термическими и электронно-микроскопическими методами.

Морфологию и размеры частиц полученных коагелей исследовали методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) с использованием электронного микроскопа ЭММА-4. Как показали исследования, сформированные в процессе синтеза гели представляют собой коллоидную дисперсную систему, образованную как раздельными, так и коагуляционными фазами. В результате анализа данных электронной микроскопии были выделены следующие морфологические формы частиц: 1) удлиненно-пластинчатая, псев-дочешуйчатая размерами ~ 180 -1000*700 -2800 нм; 2) темные и полупрозрачные округлые и слегка ограненные частицы размером ~ 40 - 200 нм; 3) редко -игольчатая форма в виде скоплений (размер игл: длина ~ 60-100 нм, диаметр ~ 10-20 нм; 4) аморфная структура, образующая плотные полупрозрачные и темные скопления различных форм (смесь «золь-гель»).

Таким образом, предложенная методика синтеза, включающая соосаждение гидроксидов в «нанореакторе», представляющем собой обращенную мицеллярную систему, позволяет получать высокодисперсные прекурсоры кордиеритовой керамики нанометровых

размеров, что обуславливает их перспективность при производстве технической керамики.

Литература

1. Березин, В.Б. Электротехнические материалы./ В. Б. Березин, Н. С. Прохоров, Г. А. Рыков,

А. М. Хайкин.- М.: Энергоатомиздат, 1993. - 504 с.

2. Балкевич, В.Л. Техническая керамика./ В.Л. Балкевич. - М.: Стройиздат, 1984. - 256 с.

3. Зинько, Э.И. Электроизоляционная техническая керамика / Э.И. Зинько, И.А., Светкова. - М.: Стройиздат, 1968. - 243с.

4. Хабас, Т.А. Синтез керамических прекурсоров кордиерит-нитридного состава /Т.А.Хабас // Огнеупоры и техническая керамика. - 2004. №12. - С. 5 - 13.

5. Трубников И.Л. Использование прекурсоров в синтезе оксидных керамических материалов / И.Л.Трубников // Огнеупоры и техническая керамика. - 2003. №7. - С. 14-21.

6. Шабанова, Н.А. Химия и технология нанодисперсных оксидов / Н.А. Шабанова, В.В.Попов, П.Д.Саркисов // Учебное пособие. - М.: ИКЦ «Академкнига», 2007. - 309 с.

7. Айлер, Р.К. Химия кремнезема/ Р.К. Айлер. Пер. с англ. Т.1,2. М.: Мир, 1982. - 712с.

8. Каграманов, Г.Г. Моделирование золь-гель процесса получения селективных слоев керамических мембран / Г.Г.Каграманов, П.В.Холкин, Е.А. Лукашев // Огнеупоры и техническая керамика. - 2001.- №5. - C. 2 - 12.

9. Романова, Р.Г. Мицеллярный синтез и свойства нанодисперсного диоксида кремния/ Р.Г. Романова, А.Ф. Дресвянников, О.В.Кузьмина, А.М.Губайдуллина, В.А.Гревцев // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2010. № 6. - C. 443 - 446.

© Р. Г. Романова - канд. хим. наук, доц. каф. аналитической химии, сертификации и менеджмента качества КГТУ, romanova_rg@mail.ru; А. Ф. Дресвянников - д-р хим. наук, проф. той же кафедры; А. Р. Абдуллина - магистр КГТУ.

Все статьи номера поступили в редакцию журнала в период с 1.09.10 по 15.10.10.