آیا می توان از ضایعات الکتروسرامیک خالص برای سنتز سرامیک مولایت استفاده کرد؟

برخی از ضایعات صنعتی در تولید سرامیک های مولایت مفید هستند. این ضایعات صنعتی سرشار از اکسیدهای فلزی خاصی مانند سیلیس (SiO2) و آلومینا (Al2O3) هستند. این به ضایعات پتانسیل استفاده به عنوان منبع مواد اولیه برای تهیه سرامیک مولایت را می دهد. هدف از این مقاله مروری گردآوری و بررسی روش‌های مختلف تهیه سرامیک مولایت است که از انواع ضایعات صنعتی به عنوان مواد اولیه استفاده می‌کنند. این بررسی همچنین دمای پخت و افزودنی های شیمیایی مورد استفاده در آماده سازی و اثرات آن را شرح می دهد. مقایسه مقاومت مکانیکی و انبساط حرارتی سرامیک های مولایت گزارش شده تهیه شده از ضایعات صنعتی مختلف نیز در این کار مورد بررسی قرار گرفت.

مولیت که معمولاً به عنوان 3Al2O3∙2SiO2 نشان داده می شود، یک ماده سرامیکی عالی به دلیل خواص فیزیکی فوق العاده آن است. دارای نقطه ذوب بالا، ضریب انبساط حرارتی کم، استحکام بالا در دماهای بالا و دارای مقاومت در برابر شوک حرارتی و خزش است [1]. این خواص حرارتی و مکانیکی خارق‌العاده مواد را قادر می‌سازد تا در کاربردهایی مانند نسوزها، مبلمان کوره‌ها، زیرلایه‌های مبدل‌های کاتالیزوری، لوله‌های کوره و سپرهای حرارتی استفاده شود.

مولایت را می توان تنها به عنوان کانی کمیاب در جزیره مول، اسکاتلند یافت [2]. به دلیل وجود کمیاب در طبیعت، تمام سرامیک‌های مولایتی که در صنعت استفاده می‌شوند ساخته دست بشر هستند. تحقیقات زیادی برای تهیه سرامیک های مولایت با استفاده از پیش سازهای مختلف، از مواد شیمیایی صنعتی/آزمایشگاهی [3] یا مواد معدنی آلومینوسیلیکات طبیعی [4] انجام شده است. با این حال، هزینه این مواد اولیه گران است، که از قبل سنتز یا استخراج می شوند. برای سال ها، محققان به دنبال جایگزین های اقتصادی برای سنتز سرامیک مولایت بودند. از این رو، پیش سازهای متعدد مولایت مشتق شده از ضایعات صنعتی در ادبیات گزارش شده است. این ضایعات صنعتی دارای محتوای بالای سیلیس و آلومینا مفید هستند که ترکیبات شیمیایی ضروری برای تولید سرامیک مولایت هستند. مزایای دیگر استفاده از این ضایعات صنعتی صرفه جویی در انرژی و هزینه در صورت منحرف شدن ضایعات و استفاده مجدد به عنوان یک ماده مهندسی است. علاوه بر این، این می تواند به کاهش بار زیست محیطی و افزایش سود اقتصادی آن کمک کند.

به منظور بررسی اینکه آیا می توان از ضایعات الکتروسرامیک خالص برای سنتز سرامیک مولایت استفاده کرد، ضایعات الکتروسرامیک خالص مخلوط با پودرهای آلومینا و ضایعات الکتروسرامیک خالص به عنوان مواد اولیه مقایسه شد. اثرات ترکیب مواد خام و دمای تف جوشی بر ریزساختار و فیزیکی خواص سرامیک مولایت مورد بررسی قرار گرفت. برای مطالعه ترکیب فاز و ریزساختار از XRD و SEM استفاده شد.

نتایج نشان می‌دهد که محتوای مولایت با افزایش دمای تف جوشی افزایش می‌یابد و در عین حال چگالی ظاهری افزایش می‌یابد. مواد اولیه ضایعات خالص الکتروسرامیک هستند، بنابراین فعالیت تف جوشی بیشتر است، و فرآیند تف جوشی می تواند تسریع شود، و چگالی نیز افزایش می یابد. هنگامی که مولایت فقط توسط ضایعات الکتروسرامیک تهیه می شود، چگالی ظاهری و مقاومت فشاری بیشترین است، تخلخل کمترین است، و خواص فیزیکی جامع بهترین خواهد بود.

با توجه به نیاز به جایگزین های کم هزینه و سازگار با محیط زیست، بسیاری از تلاش های تحقیقاتی از انواع ضایعات صنعتی به عنوان مواد اولیه برای تولید سرامیک مولایت استفاده کرده اند. روش‌های پردازش، دمای پخت و افزودنی‌های شیمیایی بررسی شده‌اند. روش سنتی پردازش مسیر که شامل مخلوط کردن، فشار دادن و تف جوشی واکنش پیش ساز مولایت بود، به دلیل سادگی و مقرون به صرفه بودن، رایج ترین روش مورد استفاده بود. اگرچه این روش قادر به تولید سرامیک مولایت متخلخل است، اما تخلخل ظاهری سرامیک مولایت حاصل کمتر از 50 درصد گزارش شده است. از سوی دیگر، ریخته‌گری انجمادی قادر به تولید سرامیک مولایت بسیار متخلخل، با تخلخل ظاهری 67 درصد بود، حتی در دمای پخت بسیار بالای 1500 درجه سانتیگراد. بررسی دماهای تف جوشی و افزودنی های شیمیایی مختلف مورد استفاده در تولید مولایت انجام شد. به دلیل سرعت واکنش بالاتر بین Al2O3 و SiO2 در پیش ساز، استفاده از دمای تف جوشی بالای 1500 درجه سانتیگراد برای تولید مولایت مطلوب است. با این حال، محتوای سیلیس بیش از حد مرتبط با ناخالصی‌های موجود در پیش‌ساز می‌تواند منجر به تغییر شکل یا ذوب نمونه در طول پخت در دمای بالا شود. در مورد افزودنی های شیمیایی، CaF2، H3BO3، Na2SO4، TiO2، AlF3، و MoO3 به عنوان کمک موثری برای کاهش دمای تف جوشی گزارش شده است در حالی که V2O5، ZrO2 دوپ شده با Y2O3 و 3Y-PSZ می توانند برای افزایش چگالش برای سرامیک های مولایت استفاده شوند. دوپینگ با افزودنی‌های شیمیایی مانند AlF3، Na2SO4، NaH2PO4·2H2O، V2O5، و MgO به رشد ناهمسانگرد سبیل‌های مولایت کمک کرد، که متعاقباً قدرت فیزیکی و چقرمگی سرامیک‌های مولایت را افزایش داد.