Магниево-алюминиевая шпинель (MgAl2O, MgO·Al2Oor MA) обладает превосходными механическими свойствами при высоких температурах, отличной стойкостью к отслаиванию и коррозионной стойкостью. Это наиболее типичная высокотемпературная керамика в системе Al2O-MgO. Преимущественный рост кристаллических зерен гексаалюмината кальция (CaAl12O19, CaO·6AlO или CA6) вдоль базисной плоскости приводит к тому, что они приобретают пластинчатую или игольчатую морфологию, что может значительно повысить ударную вязкость материала. Диалюминат кальция (CaAlO или CaO·2Al203, CA2) имеет низкий коэффициент термического расширения. Когда CAz смешивается с другими материалами с высокой температурой плавления и высоким коэффициентом расширения, он может хорошо противостоять повреждениям, вызванным тепловым ударом. Поэтому композиты MA-CA привлекли широкое внимание как новый тип высокотемпературного керамического материала в высокотемпературной промышленности из-за его комплексных свойств CA6 и MA.
В данной работе методом высокотемпературного твердофазного спекания были получены керамика МА, керамические композиты МА-СА2-СА и керамические композиты МА-СА и изучено влияние минерализаторов на свойства этих керамических материалов. Обсуждался механизм усиления минерализаторов на эксплуатационные характеристики керамики и были получены следующие результаты исследований:
(1)Результаты показали, что объемная плотность и прочность на изгиб керамических материалов MA постепенно увеличиваются с увеличением температуры спекания. После спекания при температуре 1600°С в течение 2 часов характеристики спекания керамики МА были плохими: объемная плотность составляла 3,17 г/см3, а значение прочности на изгиб - 133. 31МПа. С увеличением минерализатора Fez03 объемная плотность керамических материалов МА постепенно увеличивалась, а прочность на изгиб сначала увеличивалась, а затем уменьшалась. Когда количество добавления составляло 3 вес. %, прочность на изгиб достигла максимального значения 209,3 МПа.
(2) Характеристики и фазовый состав керамики MA-CA6 связаны с размером частиц сырья CaCO и a-AlO, чистотой a-Al2O3, температурой синтеза и временем выдержки. Используя в качестве сырья частицы CaCO небольшого размера и a-AlzO3 высокой чистоты, после спекания при 1600 ℃ и выдержки в течение 2 часов синтезированная керамика MA-CA6 обладает высокой прочностью на изгиб. Размер частиц CaCO3 играет важную роль в формировании фазы CA, а также в росте и развитии кристаллических зерен в керамических материалах MA-CA6. При высокой температуре примесь Si в a-Alz0 будет образовывать переходную жидкую фазу, что приводит к эволюции морфологии зерен СА6 от пластинчатой к равноосной.
(3)Исследовано влияние минерализаторов ZnO и Mg(BO2)z на свойства композитов МА-КА и механизм упрочнения. Установлено, что твердый раствор (Mg-Zn)AI2O4 и борсодержащая жидкая фаза, образуемые минерализаторами ZnO и Mg(BO2)z, уменьшают размер зерен МА и повышают содержание МА. Эти плотные фазы покрыты микрокристаллическими частицами МА с образованием региональных дисперсных плотных тел, что приводит к трансформации зерен СА6 в равноосные, что способствует уплотнению керамических материалов МА-СА и повышению их прочности на изгиб.
(4) Путем использования аналитически чистого Al2O вместо a-AlzO из аналитически чистого сырья были синтезированы керамические композиты MA-CA2-CA. Изучено влияние минерализаторов SnO₂ и HBO на физико-механические свойства, микроструктуру и фазовый состав композитов.
Результаты показывают, что после добавления минерализаторов SnO2 и H2BO в керамическом материале появляются твердый раствор и борсодержащая переходная жидкая фаза; соответственно, это приводит к переходу фазы СА2 в фазу СА и ускоряет образование МА и СА6, тем самым улучшая активность спекания керамического материала. Плотная фаза, образуемая избытком Ca, обеспечивает прочную связь между зернами МА и СА6, что улучшает механические свойства керамических материалов.
Время публикации: 29 августа 2023 г.