Успехи в химии и химической технологии. ТОМ XXVIII. 2014. № 8
УДК 621.039.75
Д. А. Бурдыкин*, Н. А. Макаров, И. М. Артемкина
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20 ,корп. 1
* e-mail: dburdykin@mail.ru
КОНСТРУКЦИОННАЯ КЕРАМИКА НА ОСНОВЕ СИСТЕМЫ ZrO2 – Al2O3 С
ПОНИЖЕННОЙ ТЕМПЕРАТУРОЙ СПЕКАНИЯ
На основе диоксида циркония посредством введения эвтектической добавки в системе
CaO – ZnO – Al2O3 – SiO2 и 20 мас. % Al2O3 разработана технология керамики, обладающей
мелкокристаллическим строением, пределом прочности при трехточечном изгибе 800 ± 30 МПа, имеющей
температуру спекания 1500 ºС, перспективной для применения в качестве конструкционной.
Ключевые слова: конструкционная керамика; диоксид циркония; эвтектические добавки; температура
спекания.
Концепции
преобразования
российской
промышленности
предполагают
создание
технологий принципиально новых материалов,
обеспечивающих развитие различных секторов
экономики. Последнее в полной мере относится к
керамике, металлам, полимерам, стеклу, а также
затрагивает композиционные материалы, создание
которых принципиально возможно на их основе.
Рассматривая
область
керамического
материаловедения,
следует
отметить,
что
керамика
характеризуется
совокупностью
уникальных
физико-технических
свойств,
которыми не обладает практически ни один класс
материалов. По мнению ряда специалистов [1],
конструкционная керамика, а в особенности
материалы
системы
ZrO2 – Al2O3, вытесняют ряд металлов и сплавов
аналогичного
назначения.
Учитывая
все
возрастающую
роль
керамических
композиционных материалов, следует отметить,
что керамика занимает все большее количество
секторов современной экономики и через
несколько десятков лет ее вклад в производство
конструкционных материалов сравняется со
вкладом металлов, а, возможно, и превысит его.
Несмотря на широкую гамму керамических
материалов
различного
назначения,
разработанных на основе системы ZrO2 – Al2O3,
высокая
энергои
ресурсоемкость
их
изготовления, а также растущие требования
научно-технического
прогресса
заставляют
осуществлять поиск путей создания новых видов
материалов, обладающих высоким уровнем
физико-механических характеристик, но гораздо
более низкой температурой спекания. Подобное
возможно только посредством направленного
управления формированием структуры оксидной
керамики, основываясь на существующих
взаимосвязях в цепочке состав – структура –
свойство – технология.
Цель данной работы состоит в выявлении
особенностей создания материалов на основе
системы ZrO2 – Al2O3, модифицированных
добавками эвтектических составов, что позволит
создать
энергои
ресурсоэфффективные
технологии
керамических
материалов,
обладающих
высоким
уровнем
физикомеханических свойств и температурой спекания
1500 – 1550 qС.
Одной из важнейших проблем в технологии
циркониевой керамики является то, что диоксид
циркония
при
температурах
1100 – 1200 ºС подвержен интенсивной
рекристаллизации, приводящей к падению
механической прочности. Эффективный способ ее
предотвращения – воздействие на зерна диоксида
циркония внешней сжимающей нагрузкой за счет
введения в состав материала второй фазы, роль
которой
отводится
оксиду
алюминия.
Температура
спекания
таких
материалов
находится
в
пределах
1600 – 1650 qС.
В представленной работе определялось
оптимальное,
для
предотвращения
рекристаллизации диоксида циркония, количество
вводимого оксида алюминия. Выявлено, что при
введении 10 мас. %
Al2O3 процессы
рекристаллизации прекращаются не полностью,
тогда
как
введение
20 мас. % Al2O3 приводит к созданию
мелкокристаллической структуры.
При формировании микроструктуры (а
основная задача в рассматриваемом случае
состоит в достижении максимальной плотности и
мелкокристаллического
строения)
особого
внимания заслуживают не столько методы
диспергирования, сколько методы конденсации
(гетерофазное осаждение, золь-гель процесс и
др.), позволяющие получить узкофракционные
сферические порошки микро- и нано- размеров.
Последнее тем более важно, поскольку
15
Успехи в химии и химической технологии. ТОМ XXVIII. 2014. № 8
максимальный
вклад
в
избыточную
поверхностною энергию системы, которая
является
движущей
силой
при
синтезе
керамического
материала,
существенно
возрастает с уменьшением размеров частиц.
Это и послужило поводом для того, чтобы
исследовать влияние природы вводимого оксида
алюминия. В одну группу образцов вводился
оксид алюминия, полученный при прокаливании
промышленного глинозема марки ГН – 1 (в
дальнейшем Al2O3 – Г), а в другую оксид
алюминия, полученный методом гетерофазного
осаждения 6-и водного хлорида алюминия (в
дальнейшем Al2O3 – Х). Полученные порошки
легировали оксидом магния в количестве 0,25
масс. %, а затем прокаливали при температурах
1300
qС
и
1280 qС. Сравнение характеристик полученных
порошков представлено в табл. 1.
Выявлено, что, несмотря на более мелкий
размер
частиц
исходного
компонента
прочностные
характеристики
керамики,
полученной с использованием Al2O3 – Х,
оказались хуже по сравнению с материалом,
изготовленным с добавлением Al2O3 – Г.
Причиной тому является слишком высокая
дефектность и как следствие слишком высокая
активность частиц порошка, полученного методом
осаждения. Дело в том, что дефектные частицы
осажденного
оксида
алюминия
частично
растворяются в жидкой фазе (образованной
эвтектической добавкой), что приводит к
образованию стеклофазы в готовом изделии. Что в
свою очередь существенно снижает прочностные
характеристики полученных образцов, так как не
реализуется принцип создания прямосвязанной
структуры.
Как уже отмечалось выше, температура
спекания керамики в системе ZrO2 – Al2O3
составляет порядка 1600 – 1650 qС, в попытке
снизить её, в систему вводилась добавка, которая
должна
образовать
жидкую
фазу,
интенсифицирующую спекание, при это не
ухудшая свойств готовых образцов. В данном
исследовании в качестве такой добавки
использовался эвтектический состав в системе
CaO – ZnO – Al2O3 – SiO2. Составы эвтектик
рассматриваемой
системы
представлены
в табл. 2.
Таблица 1
Характеристики исходных порошков оксида алюминия
Материал
Удельная поверхность по БЭТ,
м2/г
Al2O3 – Г
Al2O3 – X
12,8
20,4
Средний размер частиц, мкм
по данным
по данным оптической
электронной
микроскопии
микроскопии
0,5y1,5
0,2y0,5
< 1,0
~ 0,1
Таблица 2
Составы эвтектических добавок CaO – ZnO – Al2O3 – SiO2 (мас. %) и температуры плавления (qС)
Обозначение
добавки
ZnO
CaO
Al2O3
SiO2
CZAS – 1
37,0
3,1
11,2
48,7
CZAS – 2
CZAS – 3
32,35
27,91
10,03
15,78
14,31
17,99
43,31
38,32
Чтобы определить оптимальное количество
добавки, исследовали образцы, полученные при
добавлении 3 и 4 мас. %. Во всех случаях,
независимо от количества вводимого оксида
алюминия и его природы, образцы, содержащие 3
мас. % добавки, оказались прочнее.
В заключение необходимо отметить, что
наибольшей механической прочностью – 800 ± 30
МПа – обладает материал, содержащий 3 % мас.
Температура плавления
Минимальная по А. С.
По данным ДТА
Бережному
1320
1162
1200
1250
добавки эвтектического состава и 20 мас. % Al2O3
– Г и обожженный при температуре 1500 ºС
(характеристика микроструктуры такой керамики
представлена на рис.1), а рассмотренные подходы
к созданию энерго- и ресурсоэффективных
технологий
служат
надежной
основой
интенсификации технологических процессов
снижения себестоимости, а также повышения
качества продукции.
16
Успехи в химии и химической технологии. ТОМ XXVIII. 2014. № 8
Рис. 1. Фотографии микроструктуры образцов на основе ZrO2, с добавкой 3 % мас. CaO – ZnO – Al2O3 – SiO2 и
20 % мас. Al2O3 – Г
Бурдыкин Дмитрий Алексеевич студент кафедры химической технологии керамики и огнеупоров
РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Макаров Николай Александрович д.т.н., профессор кафедры химической технологии керамики и
огнеупоров РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Артемкина Ирина Михайловна к.х.н., доцент кафедры общей и неорганической химии РХТУ
им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Литература
1. Abraham T. // Am. Cer. Soc. Bull. -2004. -V. 83.- №. 8. -P. 23.
Burdykin Dmitry Alexeevich*, Makarov Nikolay Alexandrovich, Artemkina Irina Mihailovna
D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia.
* e-mail: dburdykin@mail.ru
ZrO2-Al2O3 BASED CERAMICS WITH LOW SINTERING TEMPERATURE
Abstract
Zirconia based ceramics technology developed by introducing eutectic additives in the system
CaO – ZnO – Al2O3 – SiO2 and 20 wt. % Al2O3. Obtained ceramics have small crystal structure and the tensile strength in
three-point bending of 800 ± 30 MPa allowing its use as a structural. The sintering temperature of the obtained ceramics
was only 1500 ºС.
Key words: structural ceramics; zirconia; eutectic additives; sintering temperature.
17