Оптимизация синтеза муллита в плазменно-дуговом разряде и сравнительный анализ спекания керамики на основе природного сырья и чистых оксидов

Актуальность. Развитие водородной металлургии и производства специальных сталей предъявляет повышенные требования к термомеханическим и химическим свойствам огнеупоров. Исследование посвящено решению актуальной научно-технической задачи, связанной с разработкой перспективных муллитсодержащих материалов для высокотемпературных применений в условиях экстремальных энергетических воздействий.

Материалы и методы. Экспериментально установлены оптимальные параметры плазменно-дугового синтеза муллита (сила тока 80–90 А, время воздействия 15–25 с), обеспечивающие формирование монолитных сферических продуктов с минимальной дефектностью. Методами рентгеновской дифракции и компьютерной томографии выявлен механизм изоморфного замещения в условиях плазменного воздействия, приводящий к образованию нестехиометричных твердых растворов на основе корунда.

Результаты. Проведен сравнительный анализ спекания материалов на основе природного сырья и чистых оксидов, установивший принципиальные различия в механизмах уплотнения. Показано, что керамика из чистых оксидов уплотняется за счет объемной диффузии с образованием равноосной структуры, размер зерна (3,2 ± 0,5) мкм, в то время как природные материалы спекаются через жидкофазный механизм с формированием игольчатых кристаллов муллита. Определены температурные режимы спекания: для керамики из чистых оксидов основной прирост плотности достигается при 1400–1500 °C, тогда как природные материалы требуют температур 1500–1550 °C для интенсивного уплотнения.

Результаты. В результате исследований плазменно-дугового синтеза муллитсодержащих материалов установлено, что экстремальные условия плазмы (5000–7000 °C) индуцируют сложные физико-химические процессы, а оптимальный режим при силе тока  80–90 А обеспечивает формирование монолитных сферических продуктов с минимальной дефектностью. Установлены параметры энергетического воздействия на структурнофазовые характеристики и свойства конечного продукта. Полученные результаты имеют практическую значимость для создания энергоэффективных керамических материалов с заданными структурно-функциональными характеристиками.

1. Вандрай С.Н., Зайчук Т.В., Устинова Ю.С., Орлов А.А., Лемешев Д.О. 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. DOI: 10.31857/S0132665122040096. EDN: BRSPQS

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

4. Бурдаев П.А., Асеев В.А., Колобкова Е.В., Никоноров Н.В., Трофимов А.О. Наноструктурированная стеклокерамика на основе фторофосфатных стекол с квантовыми точками PbSe // Физика и химия стекла. 2015. Т. 41. № 1. С. 173–177.

5. Han D., Zhang J., Liu P., Li G., An L., Wang S. Preparation of high-quality transparent Al-rich spinel ceramics by reactive sintering // Ceram. Int. 2018. № 44 (3). P. 3189–3194. DOI: 10.1016/j.ceramint.2017.11.089 (дата обращения: 10.10.2025).

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. DOI: 10.1111/jace.14032

7. Хомидов Ф.Г., Кадырова З.Р., Усманов Х.Л., Ниязова Ш.М., Сабиров Б.Т. Особенности синтеза алюмомагниевой шпинели золь-гель методом // Стекло и керамика. 2021. Т. 94. № 6. С. 48–52.

8. Nečina V., Pabst W. 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. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2020.06.056

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). URL: https://www.mdpi.com/1996-1944/13/21/4810?utm_source=researchgate.net&medium=article (дата обращения: 10.10.2025).

10. Абзаев Ю.А., Волокитин Г.Г., Скрипникова Н.К., Волокитин О.Г., Шеховцов В.В. Исследование процессов плавления кварцевого песка с помощью энергии низкотемпературной плазмы // Стекло и керамика. 2015. Т. 88. № 6. С. 44–46.

11. Шеховцов В.В., Абзаев Ю.А., Волокитин О.Г., Скрипникова Н.К., Клопотов А.А. Особенности структурно-фазового состояния природного магнезита МgCО3 в диапазоне температур 1173–6500 К // 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. DOI: 10.31857/S0132665121100619

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. DOI: 10.31675/16071859-2022-24-3-138-146

14. Шеховцов В.В., Волокитин О.Г., Ушков В.А., Зорин Д.А. Получение стеклокерамики системы MgO–SiO2 методом плазменной плавки // Письма в Журнал технической физики. 2022. Т. 48. № 24. С. 15–18. DOI: 10.21883/PJTF.2022.24.54017.19278

15. Plawsky J. Flow visualization glass-ceramic: Preliminary experimental and modelling results // J. Mater Sci. 1992. № 27. Р. 2501–2514. DOI: 10.1007/BF01105063

16. Shannon R.D. Revised Effective Ionic Radii and Systematic Studies of Interatomie Distances in Halides and Chaleogenides // Acta Cryst. 1976. А 32. Р. 751–767. DOI: 10.1107/S0567739476001551

17. Dippong T., Levei E.A., Deac I.G., Lazar M.D., Cadar O. Influence of SiO2 Embedding on the Structure, Morphology, Thermal, and Magnetic Properties of Co0.4Zn0.4Ni0.2Fe2O4 Particles // Nanomaterials. 2023. № 13. P. 527. DOI: 10.3390/nano13030527