Сучасний стан розвитку техніки і технологій пов’язаний з удосконаленням існуючих і створенням нових матеріалів [1]. Отримання таких матеріалів можливо при застосуванні сучасних технологій, що суттєво відрізняються від традиційних. Тому в роботі застосовувались методи порошкової металургії, що дозволяють отримувати матеріали з складним поєднанням властивостей, які іншими методами отримувати практично неможливо [2].

При наявності, в більшості випадків, переваг у властивостях кераміки на основіAl₂O₃і доступності вихідної сировини, одним з основних її недоліків залишається велика енергоємність виготовлення, зокрема висока температура спікання – 1650-1750 °С, що потребує значних енерго- і матеріальних затрат при її промисловому виробництві. Загальна тенденція по енергозбереженню зумовлює, при виготовленні такої кераміки, необхідність вибору такого складу матеріалу і застосування вихідних порошків з підвищеною активністю, які давали б можливість знизити температури її спікання і одночасно забезпечити  високі фізико-механічні властивості [3].

Тому метою даної роботи є дослідження формування структури композиту Al₂O₃-SiO₂-MgO-TiO₂ на основі оксиду алюмінію в від вмісту добавки порошку TiO₂ (2, 4, 6, 8% мас.), впливу нанопорошку МgO і технологічних факторів для отримання композиту з регульованою щільністю при пониженій температурі спікання (менше 1500 °С). А також встановлення його основних властивостей – щільності, пористості, мікротвердості.

Важливим при формуванні структури такого складу композиту є утворення титанату алюмінію – тіаліта Al₂TiO₃. В кераміці при збільшені вмісту титанату алюмінію зменшується зменшується температурний коефіцієнт лінійного розширення.

В роботі досліджувався композиту складу Al₂O₃ – 3%; SiO₂ – 1,5%; MgO, TiO₂ при зміні вмісту TiO₂ – 2, 4, 6, 8% мас.

Вихідні порошки оксидів α-Al₂O₃, SiO₂, TiO₂ після механічного подрібнення мали розмір частинок порядку 10-15 мкм, а розмір MgO не перевищував 90-100 нм.

Приготування шихти матеріалу проводилось в барабанному млині протягом 3-4 годин. При змішуванні в шихту вводивсь пластифікатор – 2,5% розчин полівінілового спирту (ПВС) в дистильованій воді.

Після змішування шихта просівають через сито 02 з метою її грануляції і покращення текучості.

Формування пресовок діаметром 10 мм і висотою 10 мм проводилось в стальній прес-формі на гідравлічному пресі в інтервалі тисків від 50 до 250 МПа, з кроком 50 МПа.

Пicля пpecyвaння пресовки тримали в сушильній шафі пpи тeмпepaтypi                   80–90 ^оC пpoтягoм 1-2 гoдин з метою пiдвищeння їх мiцнocтi зa paхyнoк пoлiмepизaцiї плacтифiкaтopa.

Спікання спресованого матеріалу проводилось в камерній печі опору СВК «Эмитрон» при температурі 1400 °С при часі ізотермічної витримки 2 години.

Мікроструктуру спеченого композиту складу Al₂O₃-SiO₂-MgO-TiO₂ досліджували за допомогою растрового електронного мікроскопа РЕМ-106И, фазовий склад – рентгенівського дифрактометра Ultima IV фірми Rigaku. Мікротвердість матеріалу за Вікерсом, HV, визначали за допомогою мікротвердоміра ПМТ-3 при навантаженні F = 1 Н за стандартною методикою. Щільність та пористість зразків композиту визначали за стандартними методиками та з застосуванням гідростатичного зважування.

Мікроструктури спечених зразків композиту наведені на рис.1.

а (х500) б (х500) в (х500)

а (х2500) б (х2500) в (х2500)

Рис. 1. Мікроструктури зразків спечених композитів Al₂O₃-SiO₂-MgO-TiO₂ при  вмісті TiO₂:  а – 2%, б – 4%,  в – 6%

Ренгенофазовий аналіз композиту проводився на рентгенівській установці фірми Rigaku. Його результати приведені на рис. 2.

а

б

в

Рис. 2. Рентгенофазовий склад композиту Al₂O₃-SiO₂-MgO-TiO₂ при  вмісті TiO₂:  а – 2 %, б – 4% ,  в – 6%

Як показали результати досліджень в інтервалі тисків 50-250 МПа щільність при спіканні зразків кераміки при температурі 1400 ^оС зростає, а об’ємна усадка зменшується зі зростанням тиску пресування в цьому інтервалі тисків.  Що відповідає закономірностям формування структури матеріалу в залежності від тиску пресування. При цьому зростає вміст закритої пористості, яка уповільнює усадку і не сприяє ущільненості зразків композиту. Одночасно найкращі властивості по щільності зразки матеріалу мають уже при тисках 100-150 МПа. Як показують результати, для різних складів композиту в залежності від вмісту TiO₂ спостерігається зміна величини об’ємної усадки. При отриманій максимальній щільності композиту вона спостерігалась порядку 35-40%.

З літературних джерел [1, 2] відомо, що TiO₂ в невеликих кількостях зменшує температуру спікання оксидних керамік, що підтверджувалось результатами в роботі. Було встановлено, що TiO₂ в складі зразків композиту суттєво впливає на активізацію ущільнення матеріалу підчас спікання при його вмісті близько 4%. Далі збільшення його вмісту практично не впливає на зростання щільності зразків. При цьому збільшення вмісту TiO₂ сприяє росту зерна. Що, як правило, приводить до зменшення міцності і мікротвердості.

Також на активацію усадки має вплив нанопорошок MgO, який виступає активатором дифузійних процесів. Домішка нанопорошку MgO в кількості 1,5% знижує здатність Al₂O₃ до рекристалізації, підвищує ступінь спікання, однак при цьому мало впливає на зниження температури спікання композиту.

Як видно з результатів електронної мікроскопії мікроструктури (рис. 1, зокрема 1, б), відбувається значне зменшення пористості при вмісті TiO₂ до 4%, та збільшення щільності. Що може бути пов’язано з  активним впливом добавки на дифузійні процеси в такій кількості.

Зі збільшенням вмісту TiO₂ більше 4% спостерігається сповільнення усадки і помітний ріст зерна структури композиту. Це може бути пов’язано з тим, що при цьому утворюється твердий розчин ТiO₂ в А1₂О₃ – титанат алюмінію (Al₂TiO₅), що викликає спотворення кристалічної решітки корунду і, як наслідок, більш активне спікання і рекристалізацію. Ще однією з причин зменшення усадки і уповільнення зменшення пористості може бути зростання внутрішнього кристалічного тиску при утворенні більшої кількості закритих пор при застосуванні більшого тиску пресування.

При зростанні вмісту TiO₂ більше 4% сповільнюється процес усадки. В той же час для зразків композиту з вмістом більше 4% TiO₂ спостерігається уповільнення усадки і при збільшенні тиску пресування. Що може бути пов’язано також з активним ростом зерна (кристалітів) в композиті.

Результати рентгенофазового аналізу представлені на рис. 2. Із рентгенограм видно, що при 2% TiO₂ (рис. 2), наявність шпінелі та стишовіту, які при збільшенні вмісту до 4% і більше, переходять у інші фази такі, як муліт і тіаліт – Al₂TiO₃. Також помітно, що збільшення вмісту TiO₂, призводить до збільшення відповідної кількості титанату алюмінію, який впливає на щільність спеченого композиту.

Дослідження мікротвердості показало, що найбільший показник мікротвердості (близько 9,1 ГПа) має зразок з вмістом 4% TiO₂. Для композиту з цим вмістом TiO₂ спостерігається найбільша відносна щільність 0,92-0,93 та найменша пористість 7-8% за даних умов. Одночасно збільшення його вмісту призводить до поступового зменшення мікротвердості.

Можна стверджувати, що добавка TiO₂ істотно впливає на температуру спікання матеріалу – знижує її. Але її оптимальний вміст при цьому складає не більше 4%. Водночас результати показують, що зі збільшенням вмісту TiO₂ не відбувається помітне збільшення щільності зразків композиту, при цьому спостерігається зменшення усадки. За температури спікання 1400 ^оС і часі витримки 2 год досягнуто відносної щільності 0,92-0,93 композиту складу               Al₂O₃-SiO₂-MgO-TiO₂ з вмістом  TiO₂ близько 4%.

Одночасно на максимальне ущільнення після спікання зразків композиту має тиск пресування. Тому більш доцільно формувати кераміку в оптимальному інтервалі тисків пресування – 100-150 МПа.

Потребує подальших дослідження як вплив вмісту нанопорошку MgO так і вплив інших компонентів з меншим розміром частинок на спікання композиту і його властивості.

Література:

1.  Семченко Г.Д. Конструкционная керамика и огнеупоры. – Харьков: Штрих, 2000, – 304 с.

2. Красулин Ю. Л. Конструкционная керамика / Ю. Л. Красулин, С. М. Тимофеев, С. М. Баринов. – М.: Металлургия, 1980. – 100 с.

3. Лукин С. Е. Оксидная керамика нового поколения и области ее применения / С. Е. Лукин, Н. А. Макаров, А. И. Козлов и др. // Стекло и керамика, 2008. – №10. – С. 27 – 31.