ПОЛУЧЕНИЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ КОРУНДОВЫХ ИЗДЕЛИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ МУЛЛИТООБРАЗУЮЩЕЙ СВЯЗКИ
Аннотация
Охарактеризована муллитообразующая связка (МОС) в виде микрогетерогенной суспензии, полученная соосаждением гидратированных глинозема и кремнезема карбамидом из смеси растворов метасиликата натрия Na2SiO3 и нитрата/хлорида алюминия. Описана методика приготовления МОС. Установлено, что по фильтруемости оптимальным источ-ником Al2O3 является Al(NO3)3. Преимущественный размер частиц суспензии укладывался в диапазон 10–100 нм. Термическим анализом установлены эндотермические эффекты, отно-сящиеся к удалению остаточной влаги и разложению гидроксида алюминия до бёмита и да-лее до γ-Al2O3. Экзоэффекты при 916 оС и ~1200 оС отнесены к образованию Al-Si шпинель-ной фазы типа γ-Al2O3 и ее последующему переходу в муллит 3Al2O3·2SiO2. Дифрактограмма МОС свидетельствовала о формировании практически монофазного муллита после обжига (1200 оС). Показано, что на основе МОС возможно изготовление корундовых композиционных материалов и изделий огнеупорного назначения по керамической технологии. Выбор МОС в качестве связки представлял интерес для получения высокотемпературных композицион-ных материалов, содержащих муллит 3Al2O3·2SiO2 в результате термообработки. При этом муллит присутствовал в виде равномерно распределенной тонкодисперсной фазы, объеди-няющей зерна заполнителя в прочный монолит. Зерна на основе Al2O3 – плавленый корунд (КП), керамический глинозем (ГК) – являются неактивными, поэтому формировались компо-зиты невысокой прочности. Для улучшения характеристик образцов была использована ме-ханоактивация наполнителя. В результате были получены композиты с высокими прочно-стными характеристиками в широких пределах содержания суспензии. Минимальная по-ристость материалов соответствовала количеству МОС в пределах 25-35 %. Композиты на основе КП имели более высокую прочность по сравнению с ГК. Очевидно, зерна оксида алю-миния, полученного с применением плавления (КП), имели более плотную структуру; при механической обработке дефекты накапливались в приповерхностных слоях, в то время как основной объем сохранял упорядоченное состояние. Зерна ГК, по-видимому, накапливали де-фекты не только вблизи поверхности, но и на значительной глубине, о чем свидетельство-вали сниженные механические характеристики. С помощью дифференциальной дилато-метрии показано, что основной процесс спекания, сопровождающийся усадкой, протекал в диапазоне температур 900–1400оС, причем максимальная скорость достигалась при ~1375oC. Термостойкость образцов составила не менее 8 термоциклов.
Литература
Dana K., Sinhamahapatra S., Tripathi H.S., Ghosh A. Refractories of Alumina-Silica System. Trans. Ind. Ceram. Soc. 2017. V. 73, N 1. P. 1-13. DOI:10.1080/0371750X. 2014.905265.
Sadik C., El Amrani I.E., Albizane A. Recent advances in silica-alumina refractory: A review. J. Asian Ceram. Soc. 2014. V. 2. Is. 2. P. 83-96. DOI:10.1016/j.jascer.2014. 03.001.
Analysis of the refractory market in Russia. Market Pub-lishers 22.08.2024. Art. A1909323A21RU. 169 p.
da Silva V.J., Taveira S.K.A., Silva K.R., Neves G.A., Lira H.L., Santana L.N.L. Refractory Ceramics of Clay and Alumina Waste. Materials Research. 2021. V. 24. N 2. DOI: 10.1590/1980-5373-MR-2020-0485.
de Sousa L.L., Salomão R., Arantes V.L. Development and characterization of porous moldable refractory structures of the alumina-mullite-quartz system. Ceramics International. 2017. V. 43. Is. 1. P. 1362–1370. DOI:10.1016/j.ceramint.2016.10.093
Liu Y., Gao Y., Yin H., Xin Y., Tang Y., Yuan H., Sun K. Comparative analysis on corrosion behavior of light-weight and dense mullite–corundum refractories: Role of Si-rich phase. Appl. Cer. Technol. 2024. V. 21. Is. 3. P. 2377-2390. DOI:10.1111/ijac.14697.
Shalaby B.N.E.-D.A., El-Maghraby M.S., Ismail A.I.M. Technological properties of high alumina refractories with different phosphoric acid contents. Bulletin of the National Research Centre. 2018. V.42. Art. 24. DOI:10.1186/ /s42269-018-0030-5.
Mobasheri M., Hadian A.M., Mohammadi Y., Azimi B., Kamali M. The effect of plasticizers on rheological, physi-cal and mechanical properties of low cement high alumina gunning refractories Scientific Reports. 2025. V. 15. Art. 2774. DOI:10.1038/s41598-025-86925-9.
Poskotinova A.M., Krasnyi B.L., Ikonnikov K.I., Galganova A.L., Vershinin D.I., Rodimov O.I., et al. Higher Density Large-Format Corundum Refractory Materials Obtained through Co-Sintering. Inorg. Mater. Appl. Res. 2025. V. 16. P. 1222–1228. DOI:10.1134/S2075113325701278.
Storti E., Kaiser P., Neumann M., Metallari A., Gobbin F., Eldayed H., Hubálková J., Colombo P., Aneziris G. Additive manufacturing of alumina refractories by binder jetting. Open Ceramics. 2024. V. 20. Art. 100668. DOI:10. 1016/j.oceram.2024.100668.
Ziva A.Z., Suryana Y.K., Kurniadianti Y.S., Ragadhita R., Nandiyanto A.B.D., Kurniawan T. Recent Progress on the Production of Aluminum Oxide (Al2O3) Nanoparticles: A Review. Mechanical Engineering for Society and Indus-try. 2021. V. 1. N 2. P. 54-77. DOI:10.31603/mesi.5493.
Lima L.K.S., Silva K.R., Menezes R.R., Santana L.N.L., Lira H.L. Microstructural characteristics, properties, synthesis and applications of mullite: a review. Cerâmica. 2022. V. 68. P. 126-142. DOI:10.1590/0366-69132022683853184
Maldhure A.V., Tripathi H.S., Ghosh A. Mechanical properties of mullite-corundum composites prepared frombauxite. Int. J. Appl. Ceram. Technol. 2015. V. 12. Is. 4. P. 860–866. DOI: 10.1111/ijac.12291.
Chen Y., Liu G., Gu Q., Li S., Fan B., Zhang R., Li H. Prep-aration of corundum-mullite refractories with lightweight, high strength and high thermal shock resistance. Materialia. 2019. V. 8. Art. 100517. DOI:10.1016/j.mtla.2019.100517
Zake-Tiluga I., Svinka V., Svinka R., Grase L. Thermal shock resistance of porous Al2O3-mullite ceramics. Ceram. Int. 2015. V. 41. Is. 9. P.11504–11509. DOI: 10.1016/j.ceramint. 2015.05.116
Zhang Z., Yan W., Li N., Li Y., Zhou W., Han B. Influ-ence of spherical porous aggregate content on microstruc-tures and properties of gas-permeable mullite-corundum re-fractories. Ceram. Int. 2019. V. 45. Is. 14. P. 17268–17275. DOI: 10.1016/j.ceramint.2019.05.284
Zhou W., Yan W., Li N., Li Y., Dai Y., Zhang Z., Ma S. Fabrication of mullite-corundum foamed ceramics for ther-mal insulation and effect of micro-pore-foaming agent on their properties. J. Alloys Compd. 2019. V. 785. P. 1030–1037. DOI: 10.1016/j.jallcom.2019.01.212
Fan S., Zheng H., Gao Q., Li Y., Chen Y., Liu G., Fan B., Zhang R. Preparation of Al2O3-mullite thermal insula-tion materials with AlF3 and SiC as aids by microwave sin-tering. Int. J. Appl. Ceram. Technol. 2020. V. 17. Is. 5. P. 1–9. DOI: 10.1111/ijac.13547
Pletnev P.M., Pogrebenkov V.M., Vereshchagin V.I., Tyulkin D.S. Mullite-corundum materials based on mullite binder, resistant to high-temperature deformations. New re-fractories. 2017. N 11. P. 36-43.
Xu X., Li J., Wu J., et al. Preparation and thermal shock resistance of corundum-mullite composite ceramics from andalusite. Ceram Int. 2017. V. 43. Is. 2. P. 1762–1767. DOI:10.1016/j.ceramint.2016.10.116.
Saeidabadi E.K., Ebadzadeh T., Salahi E. Preparation of mullite from alumina/aluminum nitrate and kaolin clay through spark plasma sintering process. Ceramics International. 2018. V. 44. Is. 17. P. 21053–21066. DOI:10.1016/j.ceramint.2018. 08.142.
Ctibor P., Haušild P., Nevrlá B., Koudelková V., Dudr M. Formation of mullite and mullite-corundum composites from kaolin using spark plasma sintering. Journal of the Australian Ceramic Society. 2021. V. 57. P. 651–661. DOI:10.1007/ /s41779-021-00571-8.
Sánchez-Soto P.J., Eliche-Quesada D., Martínez-Martínez S., Pérez-Villarejo L., Garzón E. Study of a Waste Kaolin as Raw Material for Mullite Ceramics and Mullite Refractories by Reaction Sintering. Materials. 2022. V. 15. Is. 2. Art. 583. DOI:10.3390/ma15020583
Han G., Yang S., Peng W., Huang Y., Wu H., Chai W., Liu J. Enhanced recycling and utilization of mullite from coal fly ash with a flotation and metallurgy process. J. Cleaner Produc-tion. 2018. V. 178. P. 804-813. DOI:10.1016/j.jclepro. 2018. 01.073
Walkley B., San Nicolas R., Sani M.-A., Gehman J.D., van Deventer J.S.J., Provis J.L. Phase evolution of Na2O–Al2O3–SiO2–H2O gels in synthetic aluminosilicate binders. Dalton Transactions. 2016. V. 45. Is. 13. P. 5521-5535. DOI: 10.1039/C5DT04878H
Zhang W., Ma Q.S., Zeng K.H., Liang S.L., Mao W.G. Mechanical properties and thermal stability of carbon fiber cloth reinforced sol-derived mullite composites. J. Adv. Ceram. 2019. V. 8. Is. 2. P. 218–227. DOI: 10.1007/s40145-018-0307-z
Kosenko N.F., Pimkov Yu.V., Filatova N.V. Synthesis and physicochemical study of mullite-forming suspension. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2015. V. 58. N 12. P. 32-34.28. Kosenko N.F., Filatova N.V., Pimkov Yu.V. Kinetics of solid-phase synthesis of mullite from activated precursors. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2016. V. 59. N 1. P. 36-38.
Filatova N.V., Kosenko N.F., Badanov M.A. Physico-chemical study of the behavior of a mullite precursor syn-thesized with co-precipitation. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2021. V. 64. N 11. P. 97-102. DOI: 10.6060/ivkkt.20216411.6478
Filatova N.V., Kosenko N.F., Sadkova K.S. Geopolymer binder based on kaolin. Modern high technology. Regional application. 2024. N. 4(80). P. 146-154. DOI: 10.6060/snt. 20248004.00020
Singh A.K., Sarkar R. High alumina castables: a comparison among various sol-gel bonding systems. J Aust Ceram Soc. 2017. V. 53. P. 553–567 DOI:10.1007/s41779-017-0067-1
Aksel C. The role of fine alumina and mullite particles on the thermomechanical behavior of alumina-mullite refracto-ry materials. Mater. Lett. 2002. V. 57. Is. 3. P. 708–714. DOI: 10.1016/S0167-577X(02)00858-3
Burgos-Montes O., Nieto M.I., Moreno R. Mullite com-pacts obtained by colloidal filtration of alumina powders dispersed in colloidal silica suspensions. Ceramics Interna-tional. 2007. V. 33. P. 327–332. DOI:10.1016/j.ceramint. 2005.09.018
Butman M.F., Ovchinnikov N.L., Kosenko N.F., Filatova N.V., Pogonin A.E. Obtaining, properties, and rospects for use of Al30-pillared montmorillonite. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2023. V. 66. N 7. P. 159-172. DOI: 10.6060/ivkkt.20236607.6833j.
