Электрофизические свойства, прочность и структура керамики ВК94-1, полученной с использованием метода распылительной сушки высококонцентрированной суспензии

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Изучены электрофизические свойства, прочность и структура образцов керамического материала, соответствующего по составу промышленно производимой керамике марки ВК94-1. Керамические образцы получены с использованием нового технологического подхода, включающего распылительную сушку высококонцентрированной водной суспензии, содержащей минеральную порошковую смесь состава ВК94-1, формование полученного гранулята при сочетании одноосного полусухого прессования и холодного изостатического прессования, а также последующее спекание заготовок на воздухе. Высокие показатели исследуемых свойств достигаются благодаря высокой реологии гранулята, обеспечивающей повышенную плотность как сырых заготовок, так и спеченного материала с мелкокристаллической структурой. Достигнуты следующие свойства материала, превышающие соответствующие характеристики промышленной керамики ВК94-1: относительная плотность 98.7%, прочность при изгибе 380–420 МПа, размер кристаллов в структуре спеченного материала 1–5 мкм, диэлектрическая проницаемость 97, тангенс угла диэлектрических потерь 3.4×10–4, удельное объемное сопротивление 5.3×1014 Ом см. Разработанная керамика может быть рекомендована для использования в качестве диэлектрических деталей специального назначения.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

И. Е. Голубева

Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н. Л. Духова; Институт металлургии и материаловедения им. А. А. Байкова Российской академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: golubevairina151@gmail.com
Россия, ул. Сущевская, 22, Москва, 127055; Ленинский пр., 49, Москва, 119334

А. И. Ситников

Институт металлургии и материаловедения им. А. А. Байкова Российской академии наук

Email: golubevairina151@gmail.com
Россия, Ленинский пр., 49, Москва, 119334

A. A. Атапин

Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н. Л. Духова

Email: golubevairina151@gmail.com
Россия, ул. Сущевская, 22, Москва, 127055

A. Н. Гордиенко

Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н. Л. Духова

Email: golubevairina151@gmail.com
Россия, ул. Сущевская, 22, Москва, 127055

Т. Ю. Коломиец

Институт металлургии и материаловедения им. А. А. Байкова Российской академии наук

Email: golubevairina151@gmail.com
Россия, Ленинский пр., 49, Москва, 119334

А. А. Коновалов

Институт металлургии и материаловедения им. А. А. Байкова Российской академии наук

Email: golubevairina151@gmail.com
Россия, Ленинский пр., 49, Москва, 119334

А. В. Шокодько

Институт металлургии и материаловедения им. А. А. Байкова Российской академии наук

Email: golubevairina151@gmail.com
Россия, Ленинский пр., 49, Москва, 119334

К. А. Солнцев

Институт металлургии и материаловедения им. А. А. Байкова Российской академии наук

Email: golubevairina151@gmail.com
Россия, Ленинский пр., 49, Москва, 119334

Список литературы

  1. Голубева И.Е., Атапин А.А. Разработка керамического материала на основе Al2O3 c улучшенными характеристиками и технологии его изготовления // Наука и технологии. Т. 1: Материалы XLII Всероссийской конференции, посвященной 75-летию Государственного ракетного центра им. Академика В.П. Макеева. М.: РАН, 2022. С.113–120.
  2. Голубева И.Е., Атапин А.А. Разработка технологии холодного изостатического прессования керамического материала на основе Al2O3 // Материаловедение, формообразующие технологии и оборудование 2022 (ICMSSTE 2022): Материалы международной научно-практической конференции. Симферополь: Крымский федеральный университет имени В.И. Вернадского, 2022. C. 210–216. EDN: UMNRKZ
  3. Gerlei V. et al. Manufacturing of Large Size and Polished Ceramic Pistons by Cold Isostatic Pressing // Hung. J. Ind. Chem. 2023. V. 51. № 1. P. 29–34. https://doi.org/10.33927/hjic-2023-05 EDN: NCOZGX
  4. Kondo N. et al. Comparision of alumina granules prepared by freeze granulation drying and spray drying // J. Ceram. Soc. Jpn. 2020. V. 128. № 11. P. 922–926. https://doi.org/10.2109/jcersj2.20041
  5. Raju P. et al. Investigations on colloidal and dry formed alumina parts under pressure and pressure-less conditions // Process. Appl. Ceram. 2022. V. 16. № 2. P. 160–166. https://doi.org/10.2298/pac2202160r EDN: GUHVVS
  6. Stunda-Zujeva A., Irbe Z., Berzina-Cimdina L. Controlling the morphology of ceramic and composite powder obtained via spray drying – a revew // Ceram. Int. 2017. V. 43. № 15. P. 11543–11551. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2017.05.023
  7. Голубева И.Е., Ситников А.И., Гордиенко А.Н. Исследование формообразующих технологий при изготовлении деталей из электровакуумной керамики ВК94-1 // Материаловедение, формообразующие технологии и оборудование 2024 (ICMSSTE 2024): Материалы международной научно-практической конференции. Симферополь: Крымский федеральный университет им. В.И. Вернадского, 2024. С. 82–87. EDN: IUCOHZ
  8. Afaran M.S., Samimi A., Yekta E.B. Synthesis of alumina granules by high shear mixer granulator: Processing and sintering// Powder Technol. 2013. V. 237. P. 32–40. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2013.01.007
  9. Behera P.S., Sarkar R., Bhattacharyya S. Nano alumina: A review of the powder synthesis method // Interceram. 2016. V. 65. P.10–16. https://doi.org/10.1007/BF03401148
  10. Nampi P.P., Kume S., Hotta Y., Watari K., Itoh M., Toda H., Matsutani A. The effect of polyvinyl alcohol as a binder and stearic acid as an internal lubricant in the formation, and subsequent sintering of spray-dried alumina // Ceram. Int. 2011. V. 37. № 8. P. 3445–3450. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2011.05.149
  11. Wiśniewska M., Chibowski S., Urban T., Sternik D. Investigation of the alumina properties with adsorbed polyvinyl alcohol // J. Therm. Anal. Calorim. 2011. 103(1). P. 329–337.
  12. Иванов Д.А., Ситников А.И., Шляпин С.Д. Композиционные материалы. М: Юрайт, 2019. 253 с. EDN: EEZLNW
  13. Davies J., Binner J. The role of ammonium polyacrylate in dispersing concentrated alumina suspensions // J. Eur. Ceram. Soc. 2000. V. 20 (10). P. 1539–1553. https://doi.org/10.1016/S0955-2219(00)00012-1 EDN: ASCOIE
  14. Пузырев И.С., Иванов М.Г., Крутикова И.В. Физико-химические свойства нанопорошков Al2O3 и Y2O3, полученных методом лазерного синтеза, и их водных дисперсий // Изв. АН. Сер. хим. 2014. № 7. С. 1504.
  15. Зимон А.Д. Коллоидная химия: Учебник для вузов. – 3-е изд., доп. и исправл. М.: Агар, 2003. 320 с.
  16. Huisman W., Chartier T., Gauckler L.J. Aluminia of high reliability by centrifugal casting // J. Eur. Ceram. Soc. 1995. V. 15. № 9. P. 811–821. https://doi.org/10.1016/0955-2219(95)00053-W
  17. Briscoe B.J., Khan A.U., Luckham P.F. Optimizing the dispersion on an alumina suspensions using commercial polyvalent electrolyte solution // J. Eur. Ceram. Soc. 1998. V. 18. № 14. P. 2141–2147. https://doi.org/10.1016/S0955-2219(98)00147-2
  18. Tari G., Ferreira J.M.F., Lyckfeldt O. Influence of the stabilizing mechanism and solid loading on slip casting of alumina // J. Eur. Ceram. Soc. 1998. V. 18. № 5. P. 479–486. https://doi.org/10.1016/S0955-2219(97)00159-3
  19. Mei S., Yang J., Ferreira J.M.F. Comparison of dispersants performance in slip casting of cordierite-based glass-ceramics // Ceram. Int. 2003. V. 29. № 7. P. 785–791. https://doi.org/10.1016/S0272-8842(02)00231-6
  20. Cesarano J. III., Aksay I.A., Bleier A. Stability of aqueous α-Al2O3 suspensions with Poly (methacrylic acid) polyelectrolyte // J. Am. Ceram. Soc. 1988. V. 71. № 4. P. 250–255.
  21. CN101898894. Патент Китайской Народной Республики. Method for preparing beta-Al2O3 precursor powder by spray drying taking water as medium: МПК С 04 В 35/10, С 04 В 35/626 / Zhonghua Gu; заявитель и патентообладатель Shanghai Inst Ceramics, Shanghai Municipal Elec Power. № 20101010166419; заявл. 29.04.2010; опубл. 01.12.2010, 10 с.
  22. Tsetsekou A., Agrafiotis C., Milias A. Optimization of the rheological properties of alumina slurries for ceramic processing applications. Part I: Slip-casting // J. Eur. Ceram. Soc. 2001. V. 21. № 3. P. 363–373. https://doi.org/10.1016/S0955-2219(00)00185-0
  23. Pietrzak E. et al. Colloidal processing of Al2O3 and BST materials: Investigations of thermal stability and decomposition of green bodies // J. Therm. Anal. Calorim. 2017. V. 30. P. 365–376.https://doi.org/10.1007/s10973-017-6401-6
  24. Manjula S. et al. A sedimentation study to optimize the dispersion of alumina nanoparticles in water // Ceramica. 2005. V. 51. P. 121–127.
  25. Rao S.P., Tripathy S.S., Raichur A.M. Disperdion studies of sub-micron zirconia using Dolapix CE 64 // Colloids Surf., A. 2007. V. 302. № 1–3. P. 553–558. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2007.03.034
  26. Голубева И.Е. и др. Исследование реологических характеристик суспензии для распылительной сушки при изготовлении керамики ВК94-1 // Материаловедение, формообразующие технологии и оборудование 2023 (ICMSSTE 2023). 2023. С. 153–165.
  27. Алексеева С.В. и др. О растворной системе поливиниловый спирт – вода // Актуальные проблемы и достижения в естественных и математических науках: сб. науч. трудов по итогам междунар. научно-практ. конф. 2015. С. 67–72.
  28. Ищенко А. В. и др. Разработка критерия сравнительной оценки неионогенных ПАВ как эмульгаторов дисперсных систем // Успехи современного естествознания. 2018. № 8. С. 18–23.
  29. Stochero N.P., de Moraes E.G., de Oliveira A.P.N. Influence of wet foam stability on the microstructure of ceramic shell foams // Open Ceram. 2020. V. 4. P. 100033. https://doi.org/10.1016/j.oceram.2020.100033
  30. Вшивков С.А., Русинова Е.В. Реологические свойства системы поливиниловый спирт–вода в магнитном поле // Polym. Sci. Ser. A. 2023. V. 65. № 1. P. 5–11. https://doi.org/10.31857/S2308112023700311
  31. Андрианов Н. Т. и др. Химическая технология керамики: учеб. пособие для вузов / Под ред. Гузмана И.Я. М.: ООО Риф “Стройматериалы”, 2012. 496 с.
  32. Батыгин В.Н. и др. Вакуумплотная керамика и ее спаи с металлами / Под ред. Девяткова Н.Д. М.: Энергия, 1973. 408 с.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схематическое представление строения мицеллы и изменения величины дзета-потенциала в суспензии по мере удаления от поверхности керамической частицы: 1 – частица тонкодисперсного порошка, 2 – ионный слой, 3 – противоионный слой, 4 – адсорбционный слой, 5 – диффузный слой, 6 – мицелла, 7 – ДЭС, 8 – граница диффузного слоя при расширении ДЭС, ζ – электрокинетический потенциал (дзета-потенциал), r – расстояние от поверхности до частицы порошка.

Скачать (113KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Внешний вид суспензий с различной концентрацией ПВС (2–4%) при 40%-ном содержании твердой фазы после их выдержки при комнатной температуре (24 ч) для определения седиментационной устойчивости.

Скачать (119KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Зависимости величины дзета-потенциала от содержания твердой фазы в суспензии: содержание Dolapix CE 64 0.5 (1), 0.35 (2), 0.25% (3).

Скачать (69KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Зависимости величины дзета-потенциала суспензии от содержания диспергатора Dolapix CE 64: 80% твердой фазы (1), 80% твердой фазы и 2% ПВС (2).

Скачать (67KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Зависимости вязкости суспензии от содержания твердой фазы при фиксированном содержании диспергатора 0.25 (1), 0.5% (2), при совместном содержании 0.5% диспергатора и 2% ПВС (3).

Скачать (72KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Зависимости вязкости суспензии от содержания диспергатора при фиксированном содержании твердой фазы 80 (1), 85% (2), при совместном содержании 80% твердой фазы и 2% ПВС (3).

Скачать (72KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Зависимость вязкости суспензии от содержания ПВС при фиксированном содержании 80% твердой фазы и 0.25% диспергатора.

Скачать (62KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Зависимости вязкости суспензии от скорости вращения шпинделя при совместном фиксированном содержании твердой фазы, диспергатора и ПВС соответственно: 85% + 0.35% + 2% (1), 80% + 0.25% + 2% (2), 80% + 0.2% + 1.5% (3), 80% + 0.25% + 1% (4).

Скачать (79KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Вид гранулята, полученного методом РС суспензии, содержащей следующие ингредиенты: твердая фаза – 40%, ПВС – 3%, вода – остальное (крупные гранулы 60–70 мкм (1), средние 40–50 мкм (2), мелкие 7–10 мкм (3), субмикронная пылевидная фракция (4), крупная пора ∼10 мкм (5), мелкая пора ∼1 мкм (6).

Скачать (202KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Вид гранулята, полученного методом РС суспензии оптимального состава: твердая фаза – 80%, ПВС – 1%, диспергатор – 0.25%, вода – остальное; а – оптическая микроскопия, б – РЭМ; 1, 2, 3 – округлые высокоплотные крупные (50–60 мкм), средние (20–30 мкм) и мелкие (10 мкм) гранулы, 4 – осколки гранул 0.5–1.0 мкм (не более 0.5%), 5 – субмикронная пылевидная фракция.

Скачать (148KB)
Метаданные
12. Рис. 11. Вид структуры разработанной (а) и промышленно производимой керамики ВК94-1 (б) с поверхности аншлифа в отраженном свете: 1 – стеклофаза, 2 – неравномерная окраска, 3 – пора.

Скачать (202KB)
Метаданные
13. Рис. 12. Вид структуры разработанной (а) и промышленно производимой керамики ВК94-1 (б) с поверхности излома.

Скачать (323KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024