Введение к работе
з
Актуальность темы. Проблема синтеза сложных оксидов высокой степени чистоты, в частности муллита 3Al203-2Si02, представляет интерес для получения многих видов тонкой керамики с различными функциональными свойствами.
Традиционный метод синтеза муллита спеканием порошков оксидов кремния и алюминия с частицами микронных размеров требует высоких температур 1650-1750"С. Причем возможности данного метода в достижении однородности фазового состава синтезируемого материала достаточно ограничены. Для синтеза'муллита при более низких температурах 900-1000С более эффективным является использование в качестве исходных соединений алкоголятов кремния и алюминия. Однако их высокая стоимость, взрыпоопасность, токсичность, а также определенная сложность формирования исходной смеси оксидов высокой степени однородности, что важно для получения однофазного продукта, делают применение алкоголятного метода оправданным лишь для синтеза муллита в небольших масштабах.
Применение в качестве исходных соединений веществ неорганической 1грироды дает возможность снизить стоимость процесса получения муллита и расширить его сырьевую базу. Но при этом возникают серьезные трудности при достижении однородности смеси оксидов, составляющей основу для термического синтеза муллита, т.к. ее неоднородность приводит к образованию наряду с фазой муллита дополнительных фаз. К сожалению, в настоящее время отсутствует полный анализ факторов, действие которых обеспечивает более полное превращение смеси оксидов в муллит н снижает температуры его синтеза при использовании в качестве исходных веществ неорганических соединений кремния и алюминия, что является предметом исследования в данной работе.
Работа выполнена согласно гранту Государственного комитета РФ по высшему образованию "Разработка моделей и определение путей управления золь-гель процессами, создание на их основе новых методов синтеза неорганических композиционных материалов" 1992-І 994 г.г. N гос. регистрации 01930006790.
Цель работы. Основной целью работы является более детальная разработка механизма процесса образования фазы муллита применительно к системам, включающим неорганические соединения кремния и алюминия, и на этой основе - поиск путей управления процессом синтеза муллита для
достижения полного превращения смесей оксидов в муллит при возможно более низкой температуре. При этом предстояло решить следующие задачи: « уточнить механизм процесса образования фазы муллита в смесях неорганических соединений кремния и алюминия состава 3Al203-2Si07;
определить последовательность и температуры образования кристаллических
фаз оксидов кремния, алюминия и муллита при термической обработке смесей
оксидов в зависимости от природы, способа и условий получения
алюминийсодержашего компонента;
изучить влияние способа и условий получения оксида кремния,
соответственно размера его частиц, на процессы образования кристаллических
фаз индивидуальных оксидов и муллита в смесях оксидов при их термической
обработке;
экспериментально установить влияние способа и условий получения смесей
оксидов на процесс образования в них фазы муллита;
определить оптимальные условия наиболее полного превращения смеси
оксидов в муллит, оценить возможность понижения температуры образования
фазы муллита.
Научная новизна. Более детально разработан механизм процесса образования фазы муллита применительно к смесям неорганических соединений кремния и алюминия состава 3Al203-2Si02 при их термической обработке, дана оценка роли отдельных стадий этого процесса.
Установлена зависимость последовательности и температуры образования кристаллических фаз оксидов кремния, алюминия и муллита от способа и условий получения алюминийсодержащего компонента, оксида кремния и их смесей. При этом обнаружено, что даже при условии кажущейся одинаковой однородности исходных смесей оксидов ход процессов фазообразования может изменяться в зависимости от свойств индивидуальных оксидов и характера их распределения в смеси.
На основе уточненного механизма процесса образования фазы муллита в смесях неорганических' соединений кремния и алюминия показана возможность управления процессом синтеза муллита, что позволяет с учетом свойств индивидуальных оксидов прогнозировать последовательность образования кристаллических фаз оксидов кремния, алюминия и муллита, а также определять условия более полного превращения смеси оксидов в муллит или кристаллизации этой фазы при возможно более низких температурах.
Практическая ценность. Подтверждена возможность управления синтезом муллита 3Al20j-2Si02 при термической обработке смесей неорганических соединений кремния и алюминия, в основу управления положен уточненный механизм процесса образования в них фазы муллита. Знание особенностей механизма этого процесса позволяет с учетом характера распределения оксидов в смеси прогнозировать образование кристаллических фаз как индивидуальных оксидов, так и муллита, при этом во внимание принимаются все стадии процесса синтеза, начиная с выбора исходных соединений, далее способа и условий получения оксидов кремния, алюминия и их смеси, и в конечном итоге - условий термической обработки смешанного оксида. Использование в качестве исходных соединений коллоидных растворов оксидов кремния и алюминия позволило снизить температуру синтеза чистой фазы муллита в сравнении с технологией спекания порошков оксидов с 1650 до 1250С. Синтез муллита в смеси с дополнительными фазами возможен при более низких температурах вплоть до 1000С. Проведение процесса в оптимальных условиях позволило осуществить синтез достаточно чистой фазы муллита без использования алкоголятов кремния и алюминия, что удешевляет синтез муллита и расширяет его сырьевую базу. Зависимости, положенные в основу управления синтезом муллита, имеют достаточно общий характер и могут быть полезны при синтезе сложных оксидов других составов на основе неорганических соединений.
Апробация работы. Материалы диссертации неоднократно докладывались на научно-технических конференциях Института технической химии УрО РАН (1994, 1995, 1997 г.г.), на научно-технической конференции Пермского государственного технического университета (1995 г.), доложены на Международной научно-технической конференции "Перспективные химические технологии и материалы" (Пермь, 1997 г.), обсуждались на научном семинаре Института кристаллохимии, минералогии и структурной химии Венского технического университета (Вена, 1996 г.)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ, получено одно авторское свидетельство.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, заключения и перечня цитируемой литературы. Диссертация содержит 167 страниц машинописного текста, 75 рисунков, 3 таблицы, 122 библиографических наименования..