Переработка высокотемпературных керамических композитов оксид алюминия/титанат алюминия из чистых источников

Jun 21, 2023

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 5957 (2022) Цитировать эту статью

1451 Доступов

3 цитаты

Подробности о метриках

Производство новых технологических материалов с высокими характеристиками из чистых источников стало глобальной потребностью. Композиты оксид алюминия/титанат алюминия (Al2O3/Al2TiO5) представляют собой высокотемпературные важные материалы, используемые в различных современных приложениях. В этой работе с помощью недорогого процесса были получены различные композиты Al2O3/Al2TiO5 с высокими термическими и механическими свойствами для высокотемпературного применения. Целевые композиты были изготовлены из прокаленного глинозема и рутиловой руды, добытых из египетских черных песков методом спекания без давления при температуре 1650 °С/2 часа. Рутил добавляли к оксиду алюминия с различным содержанием (0–40 мас. %) для улучшения его спекаемости и термомеханической реакции. Исследована оценка полученных композитов по фазовому составу, уплотнению, особенностям микроструктуры, механическим и термическим свойствам. Результаты показали, что добавление небольших количеств рутила (10 и 20 мас.%) позволило сформировать стабильную композитную структуру Al2O3/Al2TiO5. Однако более высокое содержание рутила привело к образованию матричных композитов с высоким содержанием Al2TiO5. Кроме того, за счет увеличения содержания рутила удалось получить высокоплотные композиты с гармонической микроструктурой и повышенной механической прочностью. Композит с добавкой рутила всего 10 мас.% дал наибольшую плотность 3,6 г/см3 и самые высокие значения прочности на холодное раздавливание и модуль разрушения 488,73 МПа и 106,19 МПа соответственно. Примечательно, что добавка рутила оказывает существенное влияние на улучшение термических свойств и термостабильности полученных композитов вплоть до высокой температуры 1400 °С. Настоящее исследование показывает, что добавление рутиловой руды к глинозему является одним из экономичных способов улучшения уплотнения и теплового расширения Al2O3 при высоких температурах. Использование чистого источника, такого как рутиловая руда, которая содержит некоторые термостабилизаторы, такие как Fe2O3, Al2O3, SiO2, ZrO2 и MgO, вместо чистого TiO2, сыграло заметную роль в улучшении реакционного спекания и получении высококачественного материала. Таким образом, спеченные композиты Al2O3/Al2TiO5 можно рассматривать как перспективный высокотемпературный материал для перспективных применений.

В настоящее время, с непрерывным развитием различных секторов промышленности, обработка высокотемпературных современных материалов стала насущной необходимостью. Установлено, что к высокотемпературным материалам относятся материалы, выдерживающие воздействие температур окружающей среды в диапазоне 500–600 °С1,2,3,4. Таким образом, керамические и огнеупорные материалы рассматривались как наиболее перспективные кандидаты для применения при высоких температурах. Также было обнаружено, что пригодность и устойчивость материалов для применения при высоких температурах зависит от их термических и механических характеристик при высоких температурах, а также от затрат на их производство. Более того, с экономической и промышленной точек зрения, одной из наиболее важных проблем, стоящих перед этими высокотемпературными материалами, является снижение их стоимости5. Таким образом, основной задачей является получение жаропрочных материалов с высокими термическими и механическими свойствами при низкой стоимости.

Одним из наиболее известных высокотемпературных керамических материалов является оксид алюминия (Al2O3, А). Это хорошо известный конструкционный керамический материал, который благодаря своим превосходным свойствам может широко использоваться в различных областях применения. Некоторые из этих свойств — высокая температура плавления, химическая инертность, хорошая коррозионная стойкость, износостойкость, твердость, высокая изоляция и простота обработки. Однако катастрофическое разрушение глинозема происходит в условиях острой термической ситуации из-за больших напряжений, возникающих при термических изменениях. Более того, несмотря на высокую механическую прочность оксида алюминия, его высокое тепловое расширение (α20–1000 °C = 8 * 10–6 К–1) и теплопроводность ограничивают его диапазон для некоторых высокотемпературных конструкционных применений6,7,8,9 .