vestniktgasuВестник Томского государственного архитектурно-строительного университетаVestnik Tomskogo gosudarstvennogo arkhitekturno-stroitel'nogo universiteta. JOURNAL of Construction and Architecture1607-18592310-0044Tomsk State University of Architecture and Building10.31675/1607-1859-2022-24-4-130-138vestniktgasu-1273Research ArticleСТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯCONSTRUCTION MATERIALS AND PRODUCTSОптимизация процесса синтеза муллитовой керамики в среде термической плазмыOptimized synthesis of mullite ceramics in thermal plasmaШеховцовВ. В.ShekhovtsovV. V.

Валентин Валерьевич Шеховцов, канд. техн. наук

634003

пл. Соляная, 2

Томск

Valentin V. Shekhovtsov, PhD, Assistant Lecturer

634003

2, Solyanaya Sq.

Tomsk

shehovcov2010@yandex.ruСкрипниковаН. К.SkripnikovaN. K.

Нелли Карповна Скрипникова, докт. техн. наук, профессор 

634003

пл. Соляная, 2

Томск

Nelli K. Skripnikova, DSc, Professor

634003

2, Solyanaya Sq.

Tomsk

nks2003@mail.ruГафаровР. Е.GafarovR. E.

Руслан Евгеньевич Гафаров, аспирант

634003

пл. Соляная, 2

Томск

Ruslan E. Gafarov, Research Assistant

634003

2, Solyanaya Sq.

Tomsk

GreexRayne@gmail.comВолокитинО. Г.VolokitinO. G.

Олег Геннадьевич Волокитин, докт. техн. наук, доцент

634003

пл. Соляная, 2

Томск

Oleg G. Volokitin, DSc, A/Professor

634003

2, Solyanaya Sq.

Tomsk

volokitin_oleg@mail.ruТомский государственный архитектурно-строительный университетРоссияTomsk State University of Architecture and BuildingRussian Federation202226082022244130138Copyright © Шеховцов В.В., Скрипникова Н.К., Гафаров Р.Е., Волокитин О.Г., 20222022Шеховцов В.В., Скрипникова Н.К., Гафаров Р.Е., Волокитин О.Г.Shekhovtsov V.V., Skripnikova N.K., Gafarov R.E., Volokitin O.G.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestnik.tsuab.ru/jour/article/view/1273

     Муллит обладает низким коэффициентом теплового расширения, теплопроводностью и отличной стойкостью к тепловому удару и поэтому играет важную роль при синтезе современных керамических материалов. В настоящей работе представлены результаты экспериментальных исследований по синтезу муллитовой керамики в среде термической плазмы. Получение образцов производилось из природного сырья бёмита γ-AlO(OH) и кварцевого песка SiO2 в стехиометрическом соотношении N = Al2O3/SiO2 = 1,86; 3; 5,67. Установлено, что оптимальным режимом работы электродугового плазмотрона при синтезе муллитосодержащих образцов из шихты массой 8 г является: сила тока 80 А, напряжение 100 В и время воздействия плазменного потока 60 с. При таких технологических параметрах формируется продукт плавления в виде полусферы (диаметр 23 мм, толщина 11 мм), что указывает на факт полного перехода исходных компонентов в расплавленное состояние. Синтезированные керамические образцы характеризуются кристаллической фазой муллита 3Al2O32SiO2. При этом для N = 1,86 присутствуют скрытокристаллические дифракционные максимумы в районе 2θ = 53–54° и 69–76°, что обусловлено повышенным содержанием SiO2. Проведенные морфологические исследования для N = 3, являющегося традиционным стехиометрическим соотношением получения муллитовой фазы, показали, что матрица синтезируемого образца представлена аморфной фазой, пронизанной нитевидными монокристаллами муллита со средней длиной волокон 3,3 мкм и толщиной 0,86 мкм. Результатами рентгенофазового анализа установлено, что переходный слой между данными фазами имеет стеклокристаллическую структуру.

   Mullite has low thermal expansion coefficient, thermal conductivity and excellentresistance to thermal shock, and plays therefore an important role in the synthesis of modern ceramic materials. The paper presents the experimental results of mullite ceramics synthesis using thermal plasma. The ceramic samples are obtained from natural raw materials such as boehmite and silica sand in the stoichiometric Al2O3/SiO2 ratio of 1.86, 3 and 5.67. It is shown that the optimal operation mode of the arc plasma torch in the synthesis of mullite-containing samples from an 8 g charge weighing includes 80 A current, 100 V voltage, and 60 s exposure time. With such technological parameters, the melting product is a hemisphere with diameter 23 mm and thickness 11 mm, which indicates to a complete transition of the initial components to the molten state. The synthesized ceramic samples are characterized by the crystalline phase of mullite 3Al2O3 ·2SiO2. At the same time, at the Al2O3/SiO2 ratio of 1.86, cryptocrystalline diffraction maxima are observed at 2θ = 53–54° and 69–76° due to the increased content of SiO 2 . According to morphological studies performed for the Al 2O3/SiO2 ratio of 3, which is the traditional stoichiometric ratio for the mullite phase synthesis, the matrix of the synthesized sample is represented by the amorphous phase penetrated by filamentary single crystals of mullite with the average length of 3.3 μm and 0.86 μm thickness. It is found that the transition layer between these phases has a glass-ceramic structure, which is consistent with the results of the X-ray phase analysis.

керамикамуллиттермическая плазмабёмиткварцевый песокceramicsmullitethermal plasmaboehmitesilica sandРабота выполнена при поддержке государственного задания Министерства науки и высшего образования РФ FEMN-2022-0001The work was carried out with the support of the state task of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation FEMN-2022-0001ReferencesCosta Oliveira F. A., Livramento V., Delmas F. Novel mullite-based ceramics manufactured from inorganic wastes: I. Densification behaviour // J. Mater. Process. Technol. 2008. V. 196. № 1–3. P. 101–108.Costa Oliveira F. A., Livramento V., Delmas F. Novel mullite-based ceramics manufactured from inorganic wastes: I. Densification behaviour. Journal of Mechanical Working Technology. 2008. V. 196. No. 1–3. Pp. 101–108.Zhou Y. D. J., Lin B., Wang Y., et al. Reaction-sintered porous mineral-based mullite ceramic membrane supports made from recycled materials //J. Hazard. Mater. 2009. V. 172. № 1. P. 180–186.Zhou Y. D. J., Lin B., Wang Y. et al. Reaction-sintered porous mineral-based mullite ceramic membrane supports made from recycled materials. Journal of Hazardous Materials. 2009. V. 172. No. 1. Pp. 180–186.Bagchi B., Das S., Bhattacharya A., et al. Nanocrystalline mullite synthesis at a low temperature // J. Am. Ceram. Soc. 2009. V. 92. № 3. P. 748–751.Bagchi B., Das S., Bhattacharya A., et al. Nanocrystalline mullite synthesis at a low temperature. Journal of the American Ceramic Society. 2009. V. 92. No. 3. Pp. 748–751.Kim H. S., Nicholson P. S. Use of mixed-rare-earth oxide in the preparation of reaction-bonded mullite at temperature < 1700 °C // J. Amer. Chem. Soc. 2002. V. 85. № 7. P. 1730–1734.Kim, H. S. Nicholson P. S. Use of mixed-rare-earth oxide in the preparation of reaction-bonded mullite at temperature < 1700 °C. Journal of the American Ceramic Society. 2002. V. 85. No. 7. Pp. 1730–1734.Aryal S., Rulis P., Ching W. Y. Mechanical properties and electronic structure of mullite phases using first-principles modeling // J. Am. Ceram. Soc. 2012. V. 95. P. 2075–2088.Aryal S., Rulis P., Ching W. Y. Mechanical properties and electronic structure of mullite phases using first-principles modeling. Journal of the American Ceramic Society. 2012, V. 95. Pp. 2075–2088.Liu M. Z., Zhu Z. W., Zhang Z., Chu Y. C., Yuan B., Wei Z. L. Development of highly porous mullite whisker ceramic membranes for oil-in-water separation and resource utilization of coal gangue // Sep. Purif. Technol. 2020. V. 237. P. 1–10.Liu M. Z., Zhu Z. W., Zhang Z., Chu Y. C., Yuan B., Wei Z. L. Development of highly porous mullite whisker ceramic membranes for oil-in-water separation and resource utilization of coal gangue. Separation and Purification Technology. 2020. V. 237. Pp. 1–10.Волокитин Г. Г. Электродуговые и электроплазменные устройства для переработки силикатсодержащих отходов / Г. Г. Волокитин [и др. ]// Известия высших учебных заведений. Физика. – 2014. – Т. 57. – № 3–3. – С. 109–113.Volokitin G. G., Skripnikova N. K., Volokitin O. G., Shekhovtsov V. V., Khaysundinov A. I. Elektrodugovyye i elektroplazmennyye ustroystva dlya pererabotki silikatsoderzhashchikh otkhodov [Electric arc and plasma devices for recycling silicate-containing waste]. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Fizika. 2014. V. 57. No. 3–3. Pp. 109–113. (rus)Патент № 2664287 Российская Федерация. Устройство для получения микросфер и микрошариков из оксидных материалов : опубл. 16. 08. 2018 / В. В. Шеховцов [и др.] – Бюл. № 23.Shekhovtsov V. V., Volokitin G. G., Skripnikova N. K., Volokitin O. G., Chibirkov V. K. Ustroystvo dlya polucheniya mikrosfer i mikrosharikov iz oksidnykh materialov [Device for producing microspheres from oxide materials]. Invention Patent Russ. Fed. N 2664287. 2018. (rus)Волокитин О. Г. Процессы получения силикатных расплавов и материалов на их основе в низкотемпературной плазме / О. Г. Волокитин, В. В. Шеховцов // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. – 2017. – № 1 (60). – С. 144–148.Volokitin O. G., Shekhovtsov V. V. Protsessy polucheniya silikatnykh rasplavov i materialov na ikh osnove v nizkotemperaturnoy plazme [Silicate melts and materials produced therefrom using low-temperature plasma]. Vestnik of Tomsk State University of Architecture and Building. 2017. No. 1 (60). Pp. 144–148. (rus)Гафаров, Р. Е. Получение муллита из каолиновой глины с помощью энергии плазмы / Р. Е. Гафаров, В. В. Шеховцов // Перспективы развития фундаментальных наук : сб. научных трудов XVIII Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. – 2021. – С. 71–73.Gafarov, R. Ye., Shekhovtsov V. V. Polucheniye mullita iz kaolinovoy gliny s pomoshch'yu energii plazmy [Mullite sunthesis from kaolin clay using plasma energy]. In: Perspektivy razvitiya fundamental'nykh nauk: Sbornik nauchnykh trudov XVIII Mezhdunarodnoy konferentsii studentov, aspirantov i molodykh uchenykh (Proc. 18th Int. Sci. Conf. of Students and Young Scientists ‘Prospects of Fundamental Sciences Development’). 2021. Pp. 71–73. (rus)Волокитин О. Г. Получение силикатных расплавов с высоким силикатным модулем из кварц-полево-шпатсодержащего сырья по плазменной технологии / О. Г. Волокитин [и др.] // Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология. – 2014. – Т. 57. – № 1. – С. 73–77.Volokitin O. G., Vereshchagin V. I., Volokitin G. G., Skripnikova N. K., Shekhovtsov V. V. Polucheniye silikatnykh rasplavov s vysokim silikatnym modulem iz kvartspolevoshpatsoderzhashchego syr'ya po plazmennoy tekhnologii [Production of silicate melts with high silicate modulus from quartz-feldspar-containing raw materials using plasma treatment]. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Seriya: Khimiya i khimicheskaya tekhnologiya. 2014. V. 57. No. 1. Pp. 73–77. (rus)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.