Стеклокерамика на основе шпинели MgAl2O4, полученная методом плазменной плавки

Актуальность исследования и применения стеклокерамических материалов на основе шпинели (MgAl2O4) обусловлена такими ее уникальными свойствами, как прочность, термостойкость, высокая теплопроводность. Эти свойства делают шпинель востребованным материалом для создания высокотехнологичных изделий и покрытий.

Цель настоящей работы: исследование возможности синтеза стеклокерамики на основе MgAl2O4 с содержанием диоксида кремния от 10 до 50 масс. %.

Для получения стеклокерамических образцов использовался метод плазменной плавки компонентных шихт при мощности электродугового плазмотрона 10 кВт и времени плавления 90 с. Полученные образцы исследовались методами РФА, EDX, ИКФС, СЭМ.

В работе представлены результаты экспериментальных исследований получения стеклокерамики на основе шпинели с содержанием диоксида кремния от 10 до 50 масс. %.

Установлено, что при введении SiO2 не более 20 масс. % в шихту со стехиометрическим составом шпинели не наблюдается фазовых превращений с образованием бинарных соединений типа 2MgO·SiO2, MgO·SiO2, 3Al2O3·2SiO2. С увеличением SiO2 от 30 до 50 масс. % влияние SiO2 является существенным, в структурной матрице материала формируется квазиаморфная фаза. При этом в образце с содержанием SiO2 30 масс. % прослеживаются слабые пики стехиометрической кристаллической фазы MgAl2O4 при 2θ = 36,6; 44,7; 59,3; 65,4°. Образцы с содержанием SiO2 от 40 до 50 масс. % являются рентгеноаморфными. Для последних установлена тенденция к сужению диффузионного гало за счет доминации ионов Si4+ при формировании решетки. Данное явление также подтверждается результатами ИКФС.

По результатам СЭМ описан процесс растворения кристаллической фазы MgAl2O4.

Установлено, что при содержании 30–40 масс. % SiO2 растворение кристаллической фазы шпинели сопровождается образованием локальных областей с обогащением Mg и Al, т. е. происходит дифференциация в конденсированной фазе.

Полученные результаты могут быть интересны для разработки теплозащитных материалов, катализаторов, материалов электронной техники, а также для других отраслей промышленности, где требуется высокотехнологичная керамика.

1. Вандрай С.Н., Зайчук Т.В., Устинова Ю.С. и др. Кордиеритовая стеклокерамика для изделий радиотехнического назначения // Стекло и керамика. 2019. № 9. С. 17–23.

2. Лесников А.К., Лесников П.А., Тюрнина З.Г. Стеклокерамика на основе диоксида кремния, как перспективный материал для использования в атомной энергетике // Физика и химия стекла. 2022. Т. 48. № 4. С. 428–450.

3. Каблов Е.Н., Гращенков Д.В., Щеголева Н.Е. и др. Радиопрозрачная стеклокерамика на основе стронцийалюмосиликатного стекла // Огнеупоры и техническая керамика. 2016. № 6. С. 31–37.

4. Колобкова Е.В., Полякова А.В., Абдршин А.Н. и др. Наноструктурированная стеклокерамика на основе фторофосфатных стекол с квантовыми точками PbSe // Физика и химия стекла. 2015. Т. 41. № 1. С. 173–177.

5. Dan Han, Jian Zhang, Peng Liu, Gui Li, Liqiong An, Shiwei Wang. Preparation of high-quality transparent Al-rich spinel ceramics by reactive sintering // Ceram. Int. 2018. № 44 (3). P. 3189–3194. URL: https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2017.11.089

6. Waetzig K., Krell A. The effect of composition on the optical properties and hardness of transparent Al-rich MgO·nAl2O3 spinel ceramics // J. Am. Ceram. Soc. 2016. № 99 (3). P. 946–953.

7. Khomidov F.G., Kadyrova Z.R., Usmanov K.L. et al. Peculiarities of sol-gel synthesis of aluminum-magnesium spinel // Glass Ceram. 2021. № 78. P. 251–254.

8. Vojtěch Nečina, Willi Pabst. Comparison of the effect of different alkali halides on the preparation of transparent MgAl2O4 spinel ceramics via spark plasma sintering (SPS) // J. Eur. Ceram. Soc. 2020. № 40 (15). P. 6043–6052.

9. Pappas J.M., Thakur A.R., Kinzel E.C., Dong X. Direct 3D printing of transparent magnesium aluminate spinel ceramics // J. Laser Appl. 2020. № 33 (1). Р. 012018.

10. Abzaev Y.A., Volokitin G.G., Skripnikova N.K. et al. Investigation of the melting of quartz sand by low-temperature plasma // Glass Ceram. 2015. № 72 (5–6) P. 225–227.

11. Шеховцов В.В., Абзаев Ю.А., Волокитин О.Г. и др. Особенности структурно-фазового состояния природного магнезита МgCО3 в диапазоне температур 1173–6500 K // Известия вузов. Физика. 2022. Т. 65. № 7 (776). С. 73–78.

12. 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.

13. 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.