Шеховцов Валентин Валерьевич - кандидат технических наук.
Valentin V. Shekhovtsov - PhD, Assistant Lecturer, Tomsk State University of Architecture and Building.
Скрипникова Нелли Карповна - доктор технических наук, профессор.
Nelli K. Skripnikova - DSc, Professor, Tomsk State University of Architecture and Building.
Кунц Олеся Анатольевна – магистрант.
Olesya A. Kunts - Graduate Student, Tomsk State University of Architecture and Building.
На сегодняшний день поиск новых методов синтеза форстеритовой керамики является актуальной задачей для огнеупорной промышленности. Сдерживающим фактором синтеза форстерита Mg2SiO4 является его высокая температура плавления 1890 °С, что затрудняет возможность проведения экспериментальных исследований.
В настоящей работе предложен новый метод синтеза форстеритового материала, основанный на применении энергии термической плазмы. Источник плазмы рассматривается в контексте эффективной среды для нагрева и плавления тугоплавких материалов.
В качестве исходных материалов для синтеза форстерита (Mg2SiO4) использовалось природное и некондиционное сырьё (отсев кварцевого песка, микрокремнезем, магнезит), при этом степень кристалличности варьируется от 10 до 98 %, что позволяет рассмотреть формирование фазового состава при различных параметрах.
По результатам рентгеновской порошковой дифрактометрии установлено, что при составе композиционных шихт N = MgO/SiO2 со стехиометрическим соотношением N = 1,34 формируются продукты плавления с содержанием форстеритовой фазы Mg2SiO4 до 90 %. При этом присутствует рентгеноаморфная фаза, содержание которой варьируется от 5 до 12 %.
По результатам изотермической выдержки установлено, что аморфная фаза представлена диоксидом кремния SiO2 в полиморфной модификации кристобалит. Методом сканирующей электронной микроскопии определено, что на поверхности керамического образца формируется плотная упаковка гексагональных кристаллов размером от 180 до 250 мкм. Состав кристаллов: O ~ 38,60, Mg ~ 28,54, Si ~ 26,92 масс. %, что согласуется с составом Mg2SiO4. Детальный анализ одиночного кристалла показал, что структура поверхности выстраивается из группы игольчатых микрокристаллов, расположенных симметрично, но в то же время перекрывающих друг друга, тем самым образуя решетчатую структуру. Угол роста между микрокристаллами стремится к ~87‒94°, что указывает на строгое протекание процесса кристаллизации.
To date, new synthesis methods of forsterite (Mg2SiO4) ceramics are being searched for refractory industry. The limiting factor of Mg2SiO4 synthesis is its high melting point of 1890 °C, which makes it difficult to conduct experimental studies.
The paper proposes a new method of forsterite synthesis based on thermal plasma. The plasma source is an effective medium for heating and melting refractory materials. For the Mg2SiO4 synthesis, such initial materials are used as natural and sub-standard raw materials (silica sand sifting, microsilica, magnesite). The degree of crystallinity varies from 10 to 98 %, which allows studying the formation of the phase composition at different parameters.
According to powder X-ray diffraction patterns, at a MgO/SiO2 stoichiometric ratio of 1.34, the obtained melting products consist up to 90 % Mg2SiO4 and the X-ray amorphous phase content varies from 5 to 12 %. After isothermal exposure, the amorphous phase is represented by silicon dioxide in the polymorphic modification of cristobalite. According to scanning electron microscopy observations, the formation of hexagonal close-packed crystals occurs on the surface of the ceramic sample, with the size ranging from 180 to 250 µm. The elemental composition of the crystal consists of ~ 38.60 wt. % O, ~ 28.54 wt. % Mg, ~ 26.92 wt. % Si, which matches the theoretical composition of Mg2SiO4. A detailed analysis of a single crystal shows that the surface structure consists of acicular microcrystals arranged symmetrically, but at the same time overlapping each other, thereby forming a lattice structure. The growth angle between the cubic microcrystals tends to ~87–94 degrees.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.