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

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

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.

Full Text

Restricted Access

About the authors

И. Е. Голубева

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

Author for correspondence.
Email: golubevairina151@gmail.com
Russian Federation, 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
Russian Federation, Ленинский пр., 49, Москва, 119334

A. A. Атапин

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

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

A. Н. Гордиенко

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

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

Т. Ю. Коломиец

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

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

А. А. Коновалов

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

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

А. В. Шокодько

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

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

К. А. Солнцев

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

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

References

  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.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Schematic representation of the micelle structure and the change in the zeta potential in the suspension with increasing distance from the surface of the ceramic particle: 1 – fine powder particle, 2 – ion layer, 3 – counterion layer, 4 – adsorption layer, 5 – diffusion layer, 6 – micelle, 7 – DEL, 8 – boundary of the diffusion layer during expansion of the DEL, ζ – electrokinetic potential (zeta potential), r – distance from the surface to the powder particle.

Download (113KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. External appearance of suspensions with different PVA concentrations (2–4%) at 40% solid phase content after keeping them at room temperature (24 h) to determine sedimentation stability.

Download (119KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Dependences of the zeta potential on the solid phase content in the suspension: Dolapix CE 64 content of 0.5 (1), 0.35 (2), 0.25% (3).

Download (69KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Dependences of the zeta potential of the suspension on the content of the Dolapix CE 64 dispersant: 80% solid phase (1), 80% solid phase and 2% PVA (2).

Download (67KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Dependences of the viscosity of the suspension on the solid phase content at a fixed dispersant content of 0.25 (1), 0.5% (2), with a combined content of 0.5% dispersant and 2% PVA (3).

Download (72KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Suspension viscosity dependences on the dispersant content at a fixed solid phase content of 80 (1), 85% (2), at a combined content of 80% solid phase and 2% PVA (3).

Download (72KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Suspension viscosity dependence on the PVA content at a fixed content of 80% solid phase and 0.25% dispersant.

Download (62KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Suspension viscosity dependences on the spindle rotation speed at a combined fixed content of solid phase, dispersant and PVA, respectively: 85% + 0.35% + 2% (1), 80% + 0.25% + 2% (2), 80% + 0.2% + 1.5% (3), 80% + 0.25% + 1% (4).

Download (79KB)
Indexing metadata
10. Fig. 9. Type of granulate obtained by RS method of suspension containing the following ingredients: solid phase – 40%, PVA – 3%, water – the rest (large granules 60–70 μm (1), medium 40–50 μm (2), small 7–10 μm (3), submicron dust fraction (4), large pore ∼10 μm (5), small pore ∼1 μm (6).

Download (202KB)
Indexing metadata
11. Fig. 10. Type of granulate obtained by RS method of suspension of optimal composition: solid phase – 80%, PVA – 1%, dispersant – 0.25%, water – the rest; a – optical microscopy, b – SEM; 1, 2, 3 – rounded high-density large (50–60 μm), medium (20–30 μm) and small (10 μm) granules, 4 – granule fragments 0.5–1.0 µm (not more than 0.5%), 5 – submicron dust fraction.

Download (148KB)
Indexing metadata
12. Fig. 11. View of the structure of the developed (a) and industrially produced ceramics VK94-1 (b) from the surface of the polished section in reflected light: 1 – glass phase, 2 – uneven color, 3 – pore.

Download (202KB)
Indexing metadata
13. Fig. 12. View of the structure of the developed (a) and industrially produced ceramics VK94-1 (b) from the fracture surface.

Download (323KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

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».