ВЛИЯНИЕ КОМПОНЕНТНОГО СОСТАВА СЫРЬЕВОЙ СМЕСИ НА ПРОЦЕССЫ СПЕКАНИЯ И КРИСТАЛЛИЗАЦИИ КОРДИЕРИТОВЫХ СТЕКОЛ, ПОЛУЧЕННЫХ ПУТЕМ ПЛАВЛЕНИЯ В ТЕРМИЧЕСКОЙ ПЛАЗМЕ
Аннотация
Настоящая статья посвящена получению стекол и стеклокристаллических материалов кордиеритового (2MgO∙2Al2O3∙5SiO2) состава. В работе были исследованы процессы, протекающие при кристаллизации и спекании стекол, полученных путем плазменного плавления материалов на основе природного сырья, чистых оксидов и предварительно синтезированного кордиерита. Установлено, что полученные при плазменном плавлении кордиеритовые стекла вследствие высокой скорости нагрева и охлаждения характеризуются высокой дефектностью строения. Релаксация микронапряжений в стеклах протекает в температурном диапазоне 480 – 490 °C. Стекла на основе синтезированного кордиерита характеризуются температурой кристаллизации 930 – 1020 °C в зависимости от наличия и вида нуклеатора, что примерно на 20 – 50 °С меньше по сравнению со стеклами на основе компонентных смесей. Первичным продуктом кристаллизации исследуемых стекол при температуре выше 900 °C является твердый раствор со структурой высокотемпературного кварца MgO∙Al2O3∙3SiO2, который при увеличении температуры выше 1000 °С образует кордиерит при разложении. Введение в состав шихт 5% ZrO2 увеличивает вязкость размягченных стекол и температуру их кристаллизации, что увеличивает активность стеклопорошков при спекании стеклокерамики за счет большего вклада этапа жидкофазного спекания в процесс консолидации материала, что позволяет получать при температуре 1300 – 1350 °C керамику с открытой пористостью 2 – 4%. Введение в состав шихт 5% TiO2 снижает температуру кристаллизации кордиерита на 30 – 50 °С, однако не оказывает существенного влияния на процессы спекания стеклокерамики.
Для цитирования:
Шарафеев Ш.М., Шеховцов В.В., Звягина Е.Е. Влияние компонентного состава сырьевой смеси на процессы спекания и кристаллизации кордиеритовых стекол, полученных путем плавления в термической плазме. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2024. Т. 67. Вып. 7. С. 80-87. DOI: 10.6060/ivkkt.20246707.7032.
Литература
Kuscer D., Ines B., Hrovat M., Malic B. The microstructure, coefficient of thermal expansion and flexural strength of cordierite ceramics prepared from alumina with different particle sizes. J. Eur. Ceram. Soc. 2017. V. 37. N 2. P. 739-746. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2016.08.032.
Vandray S.N., Zaychuk T.V., Ustinova Yu.S., Orlov A.A., Lemeshev D.O. Cordierite Glass-Ceramic for Radi-oengineering Articles. Glass Ceram. 2020. V. 76. N 9-10. P. 334-339. DOI: 10.1007/s10717-020-00195-7.
Smail L., Redaoui D., Sahnoune F., Saheb N. Microstructure, thermal expansion, hardness and thermodynamic parameters of cordierite materials synthesized from Algerian natural clay minerals and magnesia. Bol. Soc. Esp. Cer. Vidr. 2021. V. 60. N 5. P. 291-306. DOI: 10.1016/j.bsecv.2020.03.008.
Yahya A.M, El-Kalioubi B.A., Soltan A.M.M., Esmat M.A. Hamzawy., Kenawy S.H. Cordierite ceramic through glass and ceramic routes from kaolin and talc. Egypt. J. Chem. 2021. V. 64. N 4. P. 1751-1758. DOI: 10.21608/EJCHEM.2021.53853.3115.
Tolkacheva A.S., Pavlova I.A. Technology of ceramics for electronic industry materials. Yekaterinburg: Izd. UrFU. 2019. V. 1. 124 p. (in Russian).
Tabit K., Waqif M., Saâdi L. Crystallization behavior and properties of cordierite synthesized by sol-gel technique and hydrothermal treatment. J. Aust. Ceram. Soc. 2019. V. 55. N 2. P. 469-477. DOI: 10.1007/s41779-018-0253-9.
Menchi A.M., Scian A.N. Mechanism of cordierite formation obtained by the sol–gel technique. Mater. Lett. 2005. V. 59. N 21. P. 2664-2667. DOI: 10.1016/j.matlet.2005.04.014
Janković-Častvan I., Lazarević S., Tanasković D., Orlović A., Petrović R., Janaćković Dj. Phase transformation in cordierite gel synthesized by non-hydrolytic sol–gel route. Ceram. Int. 2007. V. 33. N 7. P. 1263-1268. DOI: 10.1016/j.ceramint.2006.05.003.
Xu X., Lao X. Effect of MgO/SiO2 ratio and Al2O3 content on crystallization behavior and properties of cordierite-based glass–ceramics. J. Eur. Ceram. Soc. 2021. V. 41. N 2. P. 1593-1602. DOI: 10.1016/j.mtcomm.2022.103316.
Wang L., Ma B., Ren X., Yu C., Tian J., Liu C., Deng C., Hu C., Liu Z., Yu J., Jiang Z. Phase-engineering strategy of ZrO2 for enhancing the mechanical properties of porous cordierite ceramics. Mater. Today Commun. 2022. V. 30. P. 103032. DOI: 10.1016/j.mtcomm.2021.103032.
Sun Y., Yang Z., Delong C., Zhang Z., Liu Q., Fang S., Feng L., Shi L., Wang Y., Jia D. Crystallization Kinetics, Properties of α-cordierite Based Glass-ceramics Prepared by Glass Powder Sintering. J. Inorg. Mater. 2022. V. 37. N 12. P. 1351. DOI: 10.15541/jim20220179.
Yu W., Cao S., Wang J., Zhang Z., Han J., Liu C., Ruan J. Crystallization mechanisms of cordierite glass-ceramics with «surface-center» crystallization behavior. J. Eur. Ceram. Soc. 2021. V. 41. N 13. P. 6708-6721. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2021.05.061.
Song L., Wu J.-F., Li Z., Hao X., Yu Y. Crystallization mechanisms and properties of α-cordierite glass–ceramics from K2O–MgO–Al2O3–SiO2 glasses. J. Non-Cryst. Solids. 2015. V. 419. P. 16-26. DOI: 10.1016/j.jnoncrysol.2015.03.023.
Li B., Xia Q., Wang Z. Effect of MnO on the crystallization, microstructure, and properties of MgO-Al2O3-SiO2 glass-ceramics. J. Aust. Ceram. Soc. 2021. V. 57. N 3. P. 927-932. DOI: 10.1007/s41779-021-00588-z.
Dechandt I.C.J., Soares P., Pascual M.J., Serbena F.C. Sinterability and mechanical properties of glass-ceramics in the system SiO2-Al2O3-MgO/ZnO. J. Eur. Ceram. Soc. 2020. V. 40. N 15. P. 6002-6013. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2020.07.032.
Volokitin O.G., Shekhovtsov V.V. Prospects of Application of Low-Temperature Plasma in Construction and Architecture. Glass Phys. Chem. 2018. V. 44. N 3. P. 251-253. DOI: 10.1134/S1087659618030185.
Boissonnet G., Chalk C., Nicholls J.R., Bonnet G., Pedraza F. Thermal insulation of CMAS (Calcium-Magnesium-Alumino-Silicates) attacked plasma-sprayed thermal barrier coatings. J. Eur. Ceram. Soc. 2020. V. 40. N 5. P. 2042-2049. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2019.12.040.
Samal S. Thermal plasma technology: The prospective future in material processing. J. Clean. Prod. 2017. V. 142. P. 3131-3150. DOI: 10.1016/j.jclepro.2016.10.154.
Smirnova K.V., Izvekova A.A., Shutov D.A., Ivanov A.N., Manukyan A.S., Rybkin V.V. Plasma-solution syn-thesis of nickel-containing powders under the action of a glow discharge of direct current. ChemChemTech [Izv. Vyssh.Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2022. V. 65. N 12. P. 112-118 (in Russian). DOI: 10.60/ivkkt.20226512.6743.
Smirnova K.V., Shutov D.A., Ivanov A.N., Manukyan A.S., Rybkin V.V. Plasmasolution synthesis of iron oxide (III). ChemChemTech [Izv. Vyssh.Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2021. V. 64. N 7. P. 83-88 (in Russian). DOI: 10.60/ivkkt.20216407.6409.
Ohsato H., Kim J.S., Cheon С., Kagomiya L. Crystallization of indialite/cordierite glass ceramics for millimeter-wave dielectrics. Ceram. Int. 2015. V. 41. P. S588-S593. DOI: 10.1016/j.ceramint.2015.03.140.
Barry T.I., Cox J.M., Morrell R. Cordierite glass-ceramics - effect of TiO2 and ZrO2 content on phase sequence during heat treatment. J. Mater. Sci. 1978. N 13. P. 594-610. DOI: 10.1007/BF00541810.
Shekhovtsov V.V, Abzaev Yu.A., Volokitin O.G., Skripnikova N.K., Klopotov A.A. Structure and Phase Composition of Natural Magnesite in 1173–6500 K Temperature Range. Russ. Phys. J. 2022. V. 65. N 7. P. 1142-1148. DOI: 10.1007/s11182-022-02743-w.
Matvienko O.V., Volokitin O.G., Shekhovtsov V.V. Inves-tigation of the Melting of Silicate Materials as a Result of Exposure to Low-Temperature Plasma. J. Eng. Phys. Thermo-phys. 2023. V. 96. N 1. P. 150-159. DOI: 10.1007/s10891-023-02671-7.
Skripnikova, N.K., Otmakhov V.I., Volokitin O.G. Pro-cesses occurring during plasma-chemical synthesis of refractory silicate materials. Glass Ceram. 2010. V. 67. N 1-2. P. 19-21. DOI: 10.1007/s10717-010-9221-8.
Savova O.V., Fesenko O.I., Voronov G.K., Tymofieiev V.D., Babich P.V. Investigation of the structure glass-ceramic materials according to data of IR spectroscopy. Vopr. Khim.Khim. Tekhnol. 2021. N 6. P. 71-78. DOI: 10.32434/ 0321-4095-2021-139-6-71-78.
Cheng Y., Thompson D.P. The transformability of tetragonal ZrO2 in some glass systems. J. Mater. Sci. Lett. 1990. N 9. P. 24–27. DOI: 10.1007/BF00722858.
