Плазменная технология синтеза форстеритового материала

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.

1. Беляков А.В., Попова Н.А., Гринберг Е.Е., Стрельникова И.Е., Амелина А.Е., Левин Ю.И. Синтез форстерита и муллита алкоксидным золь-гель методом // Перспективные материалы. 2014. № 12. С. 66–73.

2. Andrianov N.T., Strel'nikova S.S., Dyagilets S.M. Forsterite ceramics based on sol-gel powders // Стекло и керамика. 2004. № 1. P. 15−17.

3. Nguyen M., Sokolar R. The influence of the raw materials mixture on the properties of forsterite ceramics // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2018. V. 385. P. 012039.

4. Зу Х., Вей И., Денг Ч. Синтез MgO-SiC-C огнеупорного композитного порошка на основе форстерит-С сырья // Огнеупоры и техническая керамика. 2011. № 1‒2. С. 84‒86.

5. Sanosh K.P., Balakrishnan A., Francis L., Kim T.N. Sol-gel synthesis of forsterite nanopowders with narrow particle size distribution // Journal of Alloys and Compounds. 2010. V. 495. № 1. P. 113–115.

6. Воробьёва Л.Б., Зонова А.Д., Степанова С.А. Влияние способа получения оксида магния на микроструктуру форстеритовой керамики // Интерэкспо Гео-Сибирь. Сибирский государственный университет геосистем и технологий (Новосибирск). 2014. Т. 5. № 2. С. 115–120.

7. Andrianov N.T., Strel'nikova S.S., Dyagilets S.M., Fedorova S.Yu. The effect of feedstock nature on the synthesis of forsterite prepared by sol-gel method // Стекло и керамика. 2002. № 6. P. 16‒19.

8. Hossain S.K.S., Mathur L., Singh P., Majhi M.R. Preparation of forsterite refractory using highly abundant amorphous rice husk silica for thermal insulation // Journal of Asian Ceramic Societies. 2017. V. 5. P. 82–87.

9. Афонина Г.А., Леонов В.Г., Попова О.Н. Влияние условий гидролиза тетраэтоксисилана на синтез форстерита // Стекло и керамика. 2008. № 12. С. 27‒30.

10. Nemat S., Ramezani A.S., Emami M. Recycling of waste serpentine for the production of forsterite refractories: the effects of various parameters on the sintering behavior // Journal of the Australian Ceramic Society. 2019. V. 55. P. 425–431.

11. Hassanzadeh-Tabrizi S.A. Spark plasma sintering of forsterite nanopowder and mechanical properties of sintered materials // Ceramics International. 2017. V. 43. P. 15714–15718.

12. Hassan Gheisari, Ebrahim Karamian. Preparation Of NANO Crystalline Forsterite Synthesized by Mechanical Activation to use Orthopedic and Dental Applications // Engineering Solutions for Sustainability: Materials and Resources II. 2015. V. 18−19. P. 219–223.

13. Junya Nishizawa, Tomoko Ikeda-Fukazawa. Surface structures and properties of forsterite in crystalline and glassy states // Chemical Physics Letters. 2019. V. 714. P. 197–201.

14. Шеховцов В.В., Волокитин О.Г., Ушков В.А., Зорин Д.А. Получение стеклокерамики системы MgO−SiO2 методом плазменной плавки // Письма в ЖТФ. 2022. Т. 48. №. 24. С. 15–18.

15. Шеховцов В.В., Скрипникова Н.К., Волокитин О.Г., Гафаров Р.Е. Синтез муллитсодержащей керамики в среде низкотемпературной плазмы // Физика и химия стекла. 2022. Т. 48. № 5. С. 630–634.

16. Шеховцов В.В., Скрипникова Н.К., Улмасов А.Б. Синтез алюмомагнезиальной керамики MgAl2O3 в среде термической плазмы // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2022. Т. 24. № 3. С. 138–146.

17. Шеховцов В.В., Скрипникова Н.К., Гафаров Р.Е., Волокитин О.Г. Оптимизация процесса синтеза муллитовой керамики в среде термической плазмы // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2022. Т. 24. № 4. С. 130–138.