Stereolithographic Fabrication of Alumina Ceramics from Aluminum Chloride-Containing Polymerizable Precursors

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

An approach has been proposed for preparing polymerizable precursors to alpha-alumina and aluminum oxynitride ceramics and using them in stereolithographic fabrication of aluminum-containing ceramics. With allowance for their homogeneity (optical transmission), photopolymerizability, and weight loss during thermolysis, three precursors based on aluminum chlorides (anhydrous and hexahydrate) and a basic aluminum chloride were chosen for characterization. We analyzed the behavior of the precursors during firing in an ammonia atmosphere for the preparation of oxynitride ceramics and during firing in air for the preparation of alpha-alumina ceramics from homogeneous precursors. Stereolithographic 3D printing of alpha-alumina ceramics was tested, in particular with the use of the proposed precursors in the form of photopolymerizable binders allowing the fraction of alumina in photosuspensions to be increased.

About the authors

D. S. Larionov

Faculty of Materials Science, Moscow State University, 119991, Moscow, Russia

Email: valery.putlayev@gmail.com
Россия, 119991, Москва, Ленинские горы, 1, с. 73

P. V. Evdokimov

Faculty of Materials Science, Moscow State University, 119991, Moscow, Russia; Faculty of Chemistry, Moscow State University, 119991, Moscow, Russia

Email: valery.putlayev@gmail.com
Россия, 119991, Москва, Ленинские горы, 1, с. 73; Россия, 119991, Москва, Ленинские горы, 1, с. 3

A. V. Garshev

Faculty of Materials Science, Moscow State University, 119991, Moscow, Russia; Faculty of Chemistry, Moscow State University, 119991, Moscow, Russia

Email: valery.putlayev@gmail.com
Россия, 119991, Москва, Ленинские горы, 1, с. 73; Россия, 119991, Москва, Ленинские горы, 1, с. 3

D. A. Kozlov

Faculty of Materials Science, Moscow State University, 119991, Moscow, Russia

Email: valery.putlayev@gmail.com
Россия, 119991, Москва, Ленинские горы, 1, с. 73

V. I. Putlyaev

Faculty of Materials Science, Moscow State University, 119991, Moscow, Russia; Faculty of Chemistry, Moscow State University, 119991, Moscow, Russia

Author for correspondence.
Email: valery.putlayev@gmail.com
Россия, 119991, Москва, Ленинские горы, 1, с. 73; Россия, 119991, Москва, Ленинские горы, 1, с. 3

References

  1. Zocca A., Colombo P., Gomes C.M., Günster J. Additive Manufacturing of Ceramics: Issues, Potentialities, and Opportunities // J. Am. Ceram. Soc. 2015. V. 98. № 7. P. 1983–2001. https://doi.org/10.1111/jace.13700
  2. Ievlev V.M., Putlyaev V.I., Safronova T.V., Evdokimov P.V. Additive Technologies for Making Highly Permeable Inorganic Materials with Tailored Morphological Architectonics for Medicine // Inorg. Mater. 2015. V. 51. № 13. P. 1295–1313. https://doi.org/10.1134/S0020168515130038
  3. Colombo P., Mera G., Riedel R., Sorarù G.D. Polymer-Derived Ceramics: 40 Years of Research and Innovation in Advanced Ceramics // J. Am. Ceram. Soc. 2010. V. 93. № 7. P. 1805–1837. https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2010.03876.x
  4. Liew L.A., Liu Y., Luo R., Cross T., An L., Bright V.M., Dunn M.L., Daily J.W., Raj R. Fabrication of SiCN MEMS by Photopolymerization of Preceramic Polymer // Sens. Actuators, A. 2002. V. 95. № 2–3. P. 120–134. https://doi.org/10.1109/MEMSYS.2002.984340
  5. Heimann R.B. Silicon Nitride, a Close to Ideal Ceramic Material for Medical Application // Ceramics. 2021. V. 4. P. 208–223. https://doi.org/10.3390/ceramics4020016
  6. Rey C., Combes C., Drouet C. Bioinert Ceramics: State-of-the-Art // Key Eng. Mater. 2017. V. 758. P. 3–13. doi: 10.4028/ href='www.scientific.net/KEM.758.3' target='_blank'>www.scientific.net/KEM.758.3
  7. Eckel Z.C., Zhou C., Martin J.H., Jacobsen A.J., Carter W.B., Schaedler T.A. Additive Manufacturing Of Polymer-Derived Ceramics // Science. 2016. V. 351. № 6268. P. 58–62. https://doi.org/10.1126/science.aad2688
  8. De Hazan Y., Penner D. SiC and SiOC Ceramic Articles Produced by Stereolithography of Acrylate Modified Polycarbosilane Systems // J. Eur. Ceram. Soc. 2017. V. 37. № 16. P. 5205–5212. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2017.03.021
  9. Новаков И.А., Радченко Ф.С. Наноразмерные алюмоксановые частицы-прекурсоры органо-неорганических гибридных полимерных композиций // Изв. ВолгГТУ. 2013. № 4 (107). С. 5–20.
  10. Стороженко П.А., Щербакова Г.И., Цирлин А.М., Муркина А.С., Варфоломеев М.С., Кузнецова М.Г., Полякова М.В., Трохаченкова О.П. Органоалкоксиалюмосиликаты и бескремнеземное связующее на их основе // Неорган. материалы. 2007. Т. 43. № 3. С. 373–382. https://doi.org/10.1134/S0002337X19100130
  11. He J., Avnir D., Zhang L. Sol–Gel Derived Alumina Glass: Mechanistic Study of Its Structural Evolution // Acta Mater. 2019. V. 174 P. 418–426. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2019.05.062
  12. Baixia L., Yinkui L., Yi. L. Preparation of Aluminium Nitride from Organometallic/Polymeric Precursors // J. Mater. Chem. 1993. V. 3. № 2. P. 117–127. https://doi.org/10.1039/JM9930300117
  13. Jensen J.A. Organoaluminum Precursor Polymers for Aluminum Nitride Ceramics // Inorganic and Organometallic Polymers II. ACS Symposium Series, Ch. 32. Washington, DC: Am. Chem. Soc., 1994. P. 428–439. https://doi.org/10.1021/bk-1994-0572.ch032
  14. Naderi-beni B., Alizadeh A. Preparation of Single Phase AlON Powders Aided by the Nitridation of Sol-Gel-Derived Nanoparticles // Ceram. Int. 2019. V. 45. P. 7537–7543. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.01.047
  15. Ивичева С.Н., Овсянников Н.А., Лысенков А.С., Климашин А.А., Каргин Ю.Ф. Синтез оксонитридоалюмосиликатов золь-гель методом // Журн. неорган. химии. 2020. Т. 65. № 12. С. 1614–1625. https://doi.org/10.1134/S0036023620120050
  16. Орлов Н.К., Евдокимов П.В., Милькин П.А., Тихонов А.А., Тихонова С.А., Климашина Е.С., Зуев Д.М., Капитанова О.О., Путляев В.И. Синтез прекерамического прекурсора на основе органических солей алюминия для стереолитографической 3D-печати корундовой керамики // Перспективные материалы. 2021. № 4. С. 67–80. https://doi.org/10.30791/1028-978X-2021-4-67-80
  17. Chase M.W. NIST–JANAF Thermochemical Tables, Fourth Edition // J. Phys. Chem. Ref. Data. Monograph 9. 1998. P. 1–1951.
  18. Willems H.X., Hendrix M.M.R.M., Metselaar R., de With G. Thermodynamics of Alon I: Stability at Lower Temperatures // J. Eur. Ceram. Soc. 1992. V. 10. P. 327–337. https://doi.org/10.1016/0955-2219(92)90088-U
  19. Corbin N.D. Aluminum Oxynitride Spinel: a Review // J. Eur. Ceram. Soc. 1989. V. 5. P. 143–154. https://doi.org/10.1016/0955-2219(89)90030-7
  20. Kaufman L. Calculation of Quasibinary and Quasiternary Oxynitride Systems – III // Calphad. 1979. V. 3. P. 275–291.
  21. Валеев Д.В., Лайнер Ю.А., Самохин А.В., Синайский М.А., Михайлова А.Б., Куцев С.В., Гольдберг М.А. Физико-химические исследования процесса термогидролиза хлорида алюминия // Перспективные материалы. 2016. № 1. С. 64–73. https://doi.org/10.1134/S2075113316050269
  22. Tabary P., Servant C. Thermodynamic Reassessment of the AlN-A12O3 System // Calphad. 1999. V. 22. № 2. P. 179–201. https://doi.org/10.1016/S0364-5916(98)00023-6
  23. Becher P. Microstructural Design of Toughened Ceramics // J. Am. Ceram. Soc. 1991. V. 74. № 2. P. 255–269. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1991.tb06872.x

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2.

Download (92KB)
3.

Download (147KB)
4.

Download (168KB)
5.

Download (3MB)
6.

Download (52KB)
7.

Download (2MB)

Copyright (c) 2023 Д.С. Ларионов, П.В. Евдокимов, А.В. Гаршев, Д.А. Козлов, В.И. Путляев

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».