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

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».