Визначення закономірностей утворення кордієритової фази при синтезі щільноспеченої низькотемпературної кераміки на основі стекол системи MgO–Al2O3–SiO2

Автор(и)

  • Олександр Вікторович Зайчук Український державний хіміко-технологічний університет, Україна https://orcid.org/0000-0001-5209-7498
  • Олександра Андріївна Амеліна Український державний хіміко-технологічний університет, Україна https://orcid.org/0000-0002-6902-9229
  • Юлія Русланівна Калішенко Український державний хіміко-технологічний університет, Україна https://orcid.org/0000-0001-6189-2629
  • Юрій Сергійович Гордєєв Український державний хіміко-технологічний університет, Україна https://orcid.org/0000-0001-6425-936X

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2022.268140

Ключові слова:

кордієритова кераміка, евтектичне скло, система MgO–Al2O3–SiO2, термодинамічний аналіз, рентгенофазовий аналіз

Анотація

Пошук ефективних модифікаторів структури щільноспеченої кордієритової кераміки для зниження температури випалу є актуальним, але, як правило, потребує великого об’єму експериментальних досліджень. Об’єктом досліджень є реакції утворення кордієритової фази за участю компонентів стекол евтектичних складів системи MgO–Al2O3–SiO2 в умовах низькотемпературного випалу. При цьому як інструмент для оцінки ймовірності перебігу хімічних реакцій використовували термодинамічний аналіз. Термодинамічний аналіз дозволяє суттєво скоротити об’єм експериментальної вибірки.

В роботі наведені результати теоретичних і експериментальних досліджень особливостей перебігу хімічних реакцій за участю компонентів стекол евтектичних складів системи MgO–Al2O3–SiO2. Виявлено, що у випадку дотримання стехіометричного співвідношення кінцевим продуктом взаємодії компонентів евтектичних стекол системи MgO–Al2O3–SiO2 з підшихтовочними компонентами є кордієрит. Визначені зміни мінералогічного складу кордієритових композицій в залежності від температури випалу. Формуванню кордієритової фази передує процес перетворення метакаолініту Al2O3·2SiO2, який є продуктом дегідратації каоліну, в муліт 3Al2O3·2SiO2. В подальшому утворення кордієриту (крім того, що кристалізується безпосередньо з евтектичних стекол) відбувається за участю мулітової фази. Формування кордієритової фази відбувається в декілька етапів і повністю завершується при температурі 1300 °С. Встановлені особливості перебігу реакцій утворення кордієриту дозволяють визначити найбільш оптимальні склади стекол системи MgO–Al2O3–SiO2 для отримання низькотемпературної кордієритової кераміки з високим ступенем спікання. При цьому також можливо управляти фазовим складом кераміки та її властивостями

Біографії авторів

Олександр Вікторович Зайчук, Український державний хіміко-технологічний університет

Доктор технічних наук, професор

Кафедра хімічної технології кераміки, скла та будівельних матеріалів

Олександра Андріївна Амеліна, Український державний хіміко-технологічний університет

Кандидат технічних наук, старший дослідник

Кафедра хімічної технології кераміки, скла та будівельних матеріалів

Юлія Русланівна Калішенко, Український державний хіміко-технологічний університет

Аспірант

Кафедра хімічної технології кераміки, скла та будівельних матеріалів

Юрій Сергійович Гордєєв, Український державний хіміко-технологічний університет

Доктор філософії

Кафедра хімічної технології кераміки, скла та будівельних матеріалів

Посилання

  1. Zanotto, E. D. (2010). A Bright future for glass-ceramics. American Ceramic Society Bulletin, 89 (8), 19–27. Available at: https://ceramics.org/wp-content/uploads/2010/09/bulletin_oct-nov2010.pdf
  2. Sebastian, M. T., Ubic, R., Jantunen, H. (2015). Low-loss dielectric ceramic materials and their properties. International Materials Reviews, 60 (7), 392–412. doi: https://doi.org/10.1179/1743280415y.0000000007
  3. Pivinskii, Yu. E. (2017). The half of a century period of the domestic ceramics technology development. Part I. Novye ogneupory (New Refractories), 3, 105–112. doi: https://doi.org/10.17073/1683-4518-2017-3-105-112
  4. Zaychuk, A.V., Amelina, A.A. (2017). Search for the ways to improve the physical and technical parameters of quartz ceramics. Voprosy Khimii i Khimicheskoi Tekhnologii, 6, 63–67. Available at: http://nbuv.gov.ua/UJRN/Vchem_2017_6_12
  5. Khomenko, E. S. (2018). Quartz ceramics modified by nanodispersed silica additive. Functional Materials, 25 (3), 613–618. doi: https://doi.org/10.15407/fm25.03.613
  6. Lutpi, H. A., Mohamad, H., Abdullah, T. K., Ismail, H. (2021). Effect of sintering treatment time on the sintering behaviour and thermal shock resistance of Li2O-Al2O3-SiO2 glass-ceramics. Journal of Asian Ceramic Societies, 9 (2), 507–518. doi: https://doi.org/10.1080/21870764.2021.1896094
  7. Zaichuk, A. V., Amelina, A. A., Khomenko, Y. S., Baskevich, A. S., Kalishenko, Y. R. (2020). Heat-resistant ceramics of b-eucryptite composition: peculiarities of production, microstructure and properties. Voprosy Khimii i Khimicheskoi Tekhnologii, 2, 52–59. doi: https://doi.org/10.32434/0321-4095-2020-129-2-52-59
  8. Zaichuk, A. V., Kalishenko, Y. R., Amelina, A. A., Hordieiev, Y. S., Halushka, S. A., Savchenko, O. S., Nahornyi, M. V. (2022). Features of formation of the celsian phase during firing of heat-resistant ceramics in the system BaO–Al2O3–SiO2. Voprosy Khimii i Khimicheskoi Tekhnologii, 3, 26–32. doi: https://doi.org/10.32434/0321-4095-2022-142-3-26-32
  9. Sung, Y. M., Kim, S. (2000). Sintering and crystallization of off-stoichiometric SrO•Al2O3•2SiO2 glasses. Journal of Materials Science, 35 (17), 4293–4299. doi: https://doi.org/10.1023/A:1004880201847
  10. Sung, Y.-M., Kwak, W.-C. (2002). Influence of various heating procedures on the sintered density of Sr-celsian glass-ceramic. Journal of materials science letters, 21 (11), 841–843. doi: https://doi.org/10.1023/a:1015710309425
  11. Ptáček, P., Šoukal, F., Opravil, T., Bartoníčková, E., Wasserbauer, J. (2016). The formation of feldspar strontian (SrAl2Si2O8) via ceramic route: Reaction mechanism, kinetics and thermodynamics of the process. Ceramics International, 42 (7), 8170–8178. doi: https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2016.02.024
  12. López-Badillo, C. M., López-Cuevas, J., Gutiérrez-Chavarría, C. A., Rodríguez-Galicia, J. L., Pech-Canul, M. I. (2013). Synthesis and characterization of BaAl2Si2O8 using mechanically activated precursor mixtures containing coal fly ash. Journal of the European Ceramic Society, 33 (15-16), 3287–3300. doi: https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2013.05.014
  13. Zaichuk, A. V., Amelina, A. A., Hordieiev, Yu. S., Kalishenko, Y. R., Sribniak, N. N. (2020). Synthesis and characteristic of celsian ceramics with the use of glass in the system Li2O-Al2O3-B2O3-SiO2. Functional Materials, 27, 827–835. doi: https://doi.org/10.15407/fm27.04.827
  14. Zaichuk, A. V. (2019). Radio-transparent ceramic materials of spodumene-cordierite composition. Functional Materials, 26 (1), 174–181. doi: https://doi.org/10.15407/fm26.01.174
  15. Zaichuk, O., Amelina, A., Hordieiev, Y., Kalishenko, Y., Sribniak, N., Halushka, S. et al. (2020). Patternsin the synthesis processes, the microstructure and properties of strontium-anorthite ceramics modified by glass of spodumene composition. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 6 (6 (108)), 15–26. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.216754
  16. Shamsudin, Z., Hodzic, A., Soutis, C., Hand, R. J., Hayes, S. A., Bond, I. P. (2011). Characterisation of thermo-mechanical properties of MgO–Al2O3–SiO2 glass ceramic with different heat treatment temperatures. Journal of Materials Science, 46 (17), 5822–5829. doi: https://doi.org/10.1007/s10853-011-5538-0
  17. Poteshkina, A. A., Uvarenkova, J. A., Ivanova, V. I., Ivanov, D. M. (2015). Ceramic dielectrics with low dielectric constant for microwave application. Vestnik SPbGU, 4 (2 (60)), 285–293.
  18. Aşkın, A., Tatar, İ., Kılınç, Ş., Tezel, Ö. (2017). The Utilization of Waste Magnesite in the Production of the Cordierite Ceramic. Energy Procedia, 107, 137–143. doi: https://doi.org/10.1016/j.egypro.2016.12.151
  19. Chainikova, A. S., Vaganova, M. L., Shchegoleva, N. E., Lebedeva, Yu. E. (2015). Technological aspects of fabrication of radiotransparent glass-ceramic materials based on high-temperature aluminosilicate systems (review). Proceedings of VIAM, 11, 4–4. doi: https://doi.org/10.18577/2307-6046-2015-0-11-4-4
  20. Stoch, L., Lelatko, J. (2008). Mechanisms of crystal structure organization in magnesium aluminosilicate glass: HREM and analytical study. European Journal of Glass Science and Technology, 48, 183–188.
  21. Guignard, M., Cormier, L., Montouillout, V., Menguy, N., Massiot, D., Hannon, A. C. (2009). Environment of titanium and aluminum in a magnesium alumino-silicate glass. Journal of Physics: Condensed Matter, 21 (37), 375107. doi: https://doi.org/10.1088/0953-8984/21/37/375107
  22. Reda, A. E., Abd-El-Raoof, F., Ahmed, S. E., Abdel Aziz, D. A., Mahani, R. (2020). Sintering and dielectric behavior for doped cordierite by xCuO within MgO (1-x)–Al2O3–SiO2 ceramics. Materials Chemistry and Physics, 243, 122616. doi: https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2019.122616
  23. Torres, F. J., Rodríguez-Mendoza, U. R., Lavín, V., de Sola, E. R., Alarcón, J. (2007). Evolution of the structural and optical properties from cobalt cordierite glass to glass-ceramic based on spinel crystalline phase materials. Journal of Non-Crystalline Solids, 353 (44-46), 4093–4101. doi: https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2007.06.014
  24. Zalapa-Garibay, M. A., Torres-Torres, D., Arizmendi-Morquecho, A. M., Reyes-López, S. Y. (2019). Effect of NiO and MoO3 addition on the crystallinity and mechanical properties of α-cordierite and β-cordierite in the MgO-Al2O3-SiO2 system. Results in Physics, 13, 102227. doi: https://doi.org/10.1016/j.rinp.2019.102227
  25. Banjuraizah, J., Mohamad, H., Ahmad, Z. A. (2011). Effect of impurities content from minerals on phase transformation, densification and crystallization of α-cordierite glass-ceramic. Journal of Alloys and Compounds, 509 (28), 7645–7651. doi: https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2011.04.129
  26. Obradović, N., Đorđević, N., Filipović, S., Nikolić, N., Kosanović, D., Mitrić, M. et al. (2012). Influence of mechanochemical activation on the sintering of cordierite ceramics in the presence of Bi2O3 as a functional additive. Powder Technology, 218, 157–161. doi: https://doi.org/10.1016/j.powtec.2011.12.012
  27. Ivanov, D. M., Luk'yanova, N. A., Ivanova, V. I., Petukhova, V. V. (2009). Sintez kordierita dlya vysokochastotnogo primeneniya. Vestn. S.-Peterb. un-ta. Fizika, khimiya, 4, 77–82.
  28. Zaichuk, A., Amelina, A., Kalishenko, Y., Hordieiev, Y., Saltykov, D., Sribniak, N. et al. (2021). Aspects of development and properties of densely sintered of ultra-high-frequency radio-transparent ceramics of cordierite composition. Journal of the Korean Ceramic Society, 58 (4), 483–494. doi: https://doi.org/10.1007/s43207-021-00125-5
  29. Belyankin, D. S., Lapin, V. V., Toropov, N. A. (1954). Fiziko-khimicheskie sistemy silikatnoy tekhnologi. Moscow: Promstroyizdat, 506.
  30. Gui, H., Li, C., Lin, C., Zhang, Q., Luo, Z., Han, L. et al. (2019). Glass forming, crystallization, and physical properties of MgO-Al2O3-SiO2-B2O3 glass-ceramics modified by ZnO replacing MgO. Journal of the European Ceramic Society, 39 (4), 1397–1410. doi: https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2018.10.002
  31. Minakova, N. A., Zaichuk, A. V., Belyi, Ya. I. (2008). The structure of borate glass. Glass and Ceramics, 65 (3-4), 70–73. doi: https://doi.org/10.1007/s10717-008-9017-2
  32. Bobkova, N. M., Silich, L. M., Tereschenko, I. M. (1990). Sbornik zadach po fizicheskoy khimii silikatov i tugoplavkikh soedineniy. Minsk: Universitetskoe, 175.
  33. Binnewies, M., Milke, E. (2002). Thermochemical Data of Elements and Compounds, 2rd Edition, Wiley-VCH Verlag GmbH. doi: https://doi.org/10.1002/9783527618347
Визначення закономірностей утворення кордієритової фази при синтезі щільноспеченої низькотемпературної кераміки на основі стекол системи MgO–Al2O3–SiO2

##submission.downloads##

Опубліковано

2022-12-31

Як цитувати

Зайчук, О. В., Амеліна, О. А., Калішенко, Ю. Р., & Гордєєв, Ю. С. (2022). Визначення закономірностей утворення кордієритової фази при синтезі щільноспеченої низькотемпературної кераміки на основі стекол системи MgO–Al2O3–SiO2. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 6(6 (120), 51–59. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2022.268140

Номер

Том 6 № 6 (120) (2022): Технології органічних та неорганічних речовин

Розділ

Технології органічних та неорганічних речовин

Ліцензія

Авторське право (c) 2022 Oleksandr Zaichuk, Aleksandra Amelina, Yuliia Kalishenko, Yurii Hordieiev

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.