Влияние ZRO₂ на процесс формирования керамического композита на основе муллита при плазменном синтезе

   Актуальность исследования обусловлена необходимостью решения научно-технической задачи – разработки перспективных муллитсодержащих материалов для высокотемпературных применений в экстремальных условиях энергетического воздействия.

   Целью работы является исследование влияния концентрации ZrO₂ (5–20 масс. %) на фазовый состав и микроструктуру муллитовых композитов, полученных плазменным методом.

   Результаты. Экспериментально установлены параметры плазменно-дугового синтеза композитов на основе муллита, армированных диоксидом циркония. Методами рентгеновской микротомографии и ИК-спектроскопии выявлен механизм стабилизации тетрагональной фазы ZrO₂ (характерная полоса ∼570 см^–1) при содержании оксида 15–20 масс. % и силе тока 120 А, что сопровождается локальными искажениями кристаллической решетки муллита вследствие внедрения ионов Zr⁴⁺. Показано, что увеличение доли ZrO₂ с 5 до 20 масс. % приводит к переходу от плотных игольчатых кристаллов к полым разветвленным волокнам с внутренними каналами. Полученные результаты имеют практическое значение для создания энергоэффективных огнеупорных и теплоизоляционных керамических материалов.

1. Wang, J.C., Dommati, H., Hsieh, S.J. Review of additive manufacturing methods for high-performance ceramic materials // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2019. № 103 (5). P. 2627–2647. doi: 10.1007/s00170-019-03669-3

2. Romero, M., Padilla, I., Contreras, M., López-Delgado, A. Mullite-Based Ceramics from Mining Wastes : A Review // Minerals. 2021. № 11 (3). Art. 332. doi: 10.3390/min11030332

3. Lamara, S., Sahnoune, F., Saheb, N., Redaoui, D., Laziri, K. Kinetics of mullitization from solgel synthesized precursors // Journal of the Indian Chemical Society. 2022. № 99 (6). Art. 100473. doi: 10.1016/j.jics.2022.100473

4. Glimond, D., Vicenzini, M.J., Giuliani, F., Vandeperre, L.J. High-temperature fracture toughness of mullite with monoclinic zirconia // Journal of the American Ceramic Society. 2017. № 100 (4). P. 1570–1577. doi: 10.1111/jace.14637

5. Sistani, P.B., Beidokhti, S.M., Kiani-Rashid, A. Improving the microstructural and mechanical properties of in-situ zirconia-mullite composites by optimizing the simultaneous effect of mechanical activation and additives // Ceramics International. 2020. № 46 (2). P. 1472–1486. doi: 10.1016/j.ceramint.2019.09.113

6. Hannink, R.H.J., Kelly, P.M., Muddle, B.C. Transformation Toughening in Zirconia-Containing Ceramics // Journal of the American Ceramic Society. 2000. № 83 (3). P. 461–487. doi: 10.1111/j.1151-2916.2000.tb01221.x

7. Gilbert, A., Kokini, K., Sankarasubramanian, S. Thermal fracture of zirconia–mullite composite thermal barrier coatings under thermal shock: An experimental study // Surface and Coatings Technology. 2008. № 202 (10). P. 2152–2161. doi: 10.1016/j.surfcoat.2007.09.001

8. Chen, L., Wang, Z., Hu, S., Qin, X., Xue, Z., Zhou, G., Wang, S. Infrared transparent mullite ceramics fabricated by solid-state reactive sintering // Ceramics International. 2021. № 47 (10). P. 13762–13768. doi: 10.1016/j.ceramint.2021.01.238

9. Kumazawa, T., Suzuki, H. Transient liquid phase sintering of high-purity mullite for high-temperature structural ceramics // Ceramics International. 2021. № 47 (9). P. 12381–12388. doi: 10.1016/j.ceramint.2021.01.092

10. Raghdi, A., Heraiz, M., Foudil, S., Saheb, N. Mullite-zirconia composites prepared from halloysite reaction sintered with boehmite and zirconia // Applied Clay Science. 2017. № 146. P. 70–80. doi: 10.1016/j.clay.2017.05.037

11. Owino, B.O., Aramide, F.O., Folorunso, D.O. Towards improving the mechanical strength and fracture toughness of mullite refractory ceramics: a review // Journal of the Australian Ceramic Society. 2026. № 62. P. 593–612. doi: 10.1007/s41779-025-01269-x

12. Majidian, H., Nikzad, L., Farvizi, M., Razavi, M., Behzadi, B. Reactive spark plasma sintering of alumina-mullite-zirconia composites // Ceramics International. 2025. № 51 (23). P. 38636–38649. doi: 10.1016/j.ceramint.2025.06.101

13. Chen, X., Luo, L., Liu, L., Li, J., Yu, H., Li, W., Chen, Y. Microstructure and mechanical properties of hot-pressed Al₂O₃–mullite–ZrO₂–SiC composites // Materials Science and Engineering: A. 2019. № 740–741. P. 390–397. doi: 10.1016/j.msea.2018.10.118

14. Rendtorff, N.M., Gómez, S., Gauna, M.R., Conconi, M.S., Suarez, G., Aglietti, E.F. Dense mullite–zirconia–zirconium titanate ceramic composites by reaction sintering // Ceramics International. 2016. № 42 (1). P. 1563–1572. doi: 10.1016/j.ceramint.2015.09.106

15. Шарафеев, Ш.М., Шеховцов, В.В., Звягина, Е.Е. Влияние состава шихты на процессы спекания и кристаллизации кордиеритных стекол, полученных термоплазменным плавлением // Известия вузов. Химия и химическая технология. 2024. № 67 (7). doi: 10.6060/ivkkt.20246707.7032

16. Шеховцов, В.В., Семеновых, М.А., Улмасов, А.Б., Дятчина, Д.С., Анисимова, Е.А. Оптимизация синтеза муллита в плазменно-дуговом разряде и сравнительный анализ спекания керамики на основе природного сырья и чистых оксидов // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2025. № 27 (6). С. 172–186. doi: 10.31675/1607-1859-2025-27-6-172-186

17. Шеховцов, В.В., Скрипникова, Н.К., Волокитин, О.Г., Гафаров, Р.Е. Синтез муллитсодержащей керамики в среде низкотемпературной плазмы // Физика и химия стекла. 2022. № 48 (5). С. 630–634. DOI: 10.31857/S0132665121100619. EDN: UHKROE

18. German, R. Rheological model for viscous flow densification during supersolidus liquid phase sintering // Science of Sintering. 2006. № 38 (1). P. 27–40. doi: 10.2298/sos0601027g

19. Yu, C.-L., Gao, D.-P., Chai, S.-M., Liu, Q., Shi, H., Xie, X.-L. Interpretation of Frenkel’s Theory of Sintering Considering Evolution of Activated Pores: II. Model and Reliability // Science of Sintering. 2015. № 47 (1). P. 89–94. DOI: 10.2298/SOS1501097Y

20. Reinders, L., Pfeifer, S., Kröner, S., Stolpmann, H., Renfftlen, A., Greiler, L.C., Clauß, B., Buchmeiser, M.R. Development of mullite fibers and novel zirconia-toughened mullite fibers for high temperature applications // Journal of the European Ceramic Society. 2021. № 41 (6). P. 3570–3580. doi: 10.1016/j.jeurceramsoc.2020.12.048

21. Mileiko, S.T., Chumichev, V.A. Mullite-zirconia-fibre/molybdenum-matrix composites: Strength and damage tolerance // Composites Part A Applied Science and Manufacturing. 2018. № 112. P. 365–370. doi: 010.1016/j.compositesa.2018.06.023

22. Бабашов, В.Г., Бутаков, В.В., Варрик, Н.М., Максимов, В.Г. Получение низкопористой керамики муллитового состава, модифицированной оксидом циркония // Стекло и керамика. 2021. № 94 (11). С. 30–35. EDN: BTNQXI

23. Mileiko, S.T., Kolchin, A.A., Novokhatskaya, N.I., Prokopenko, N.A., Shakhlevich, O.F. Mullitezirconia fibres produced by internal crystallization method: Microstructure and strength properties // Composites Part A Applied Science and Manufacturing. 2018. № 112. P. 405–414. doi: 10.1016/j.compositesa.2018.06.022

24. Shao, Y., Xia, C., Xu, J., Wang, H., Feng, X., Gao, F. Low sintering shrinkage and high strength of porous mullite–zirconia ceramics: Effect of AlF₃ and ZrSi₂ contents // Journal of the American Ceramic Society. 2025. № 108. Art. e20243. doi: 10.1111/jace.20243

25. Yuan, L., Liu, Z., Hou, X., Liu, Z., Zhu, Q., Wang, S., Ma, B., Yu, J. Fibrous ZrO₂-mullite porous ceramics fabricated by a hydratable alumina based aqueous gel-casting process // Ceramics International. 2019. № 45 (7). P. 8824–8831. doi: 10.1016/j.ceramint.2019.01.209

26. Hou, X., Liu, Z., Liu, Z., Yuan, L., Yu, J. Porous fibrous ZrO2-mullite ceramics prepared via tert-butyl alcohol-based gel-casting // Ceramics International. 2018. № 44 (12). P. 13580–13587. doi: 10.1016/j.ceramint.2018.04.192

27. Yuan, L., Liu, Z., Tian, C., Han, L., Wen, T., Yu, J., Hou, X., Zhu, Q. Synthesis and characterization of mullite-ZrO₂ porous fibrous ceramic for high-ly efficient oil-water separation // Ceramics International. 2021. № 47 (16). P. 22709–22716. doi: 10.1016/j.ceramint.2021.04.286