Коллектив исследователей, представляющих Томский политехнический университет и Томский научный центр СО РАН, представил принципиально новый подход к синтезу порошкового сырья для форстеритовой керамики. Данный материал играет ключевую роль в таких отраслях, как металлургия (производство огнеупоров), электроника и медицинская имплантология. Разработанная методика позволяет целенаправленно управлять морфологией и элементным составом частиц, что в конечном итоге обеспечивает получение после спекания монолитной, высокопрочной керамики с превосходными функциональными характеристиками.
Екатерина Королёва
Источник фото: Томский политехнический университет
О значимости работы свидетельствует тот факт, что она была опубликована в одном из наиболее авторитетных профильных изданий — журнале Ceramics International, который стабильно удерживает позиции в первом квартиле рейтинга научных публикаций.
Почему форстерит считается перспективным, но сложным в производстве материалом?
Форстерит представляет собой минерал из группы оливина, химическая формула которого отражает соединение магния, кремния и кислорода. Исключительная прочность межатомных связей и способность выдерживать экстремальные термические нагрузки делают его незаменимым кандидатом для создания диэлектрических барьеров в электронных устройствах, термостойких конструкционных элементов и имплантатов, демонстрирующих высокую биосовместимость с живыми тканями.
Однако для реализации всех этих преимуществ необходимо исходное сырье, отвечающее жестким требованиям: минимальное содержание примесей и строгая монодисперсность (однородность размеров и формы). Традиционные технологии, такие как механическое истирание природных магниевых силикатов, прямое взаимодействие оксидов магния и кремния или стандартный золь-гель синтез, сталкиваются с серьезными ограничениями. Получаемые в результате порошки часто имеют гетерогенный состав, а мелкодисперсные фракции склонны к агрегации, что крайне осложняет процесс формования будущих керамических изделий.
Ключевое решение: усовершенствованный золь-гель синтез
Ученые из Томска предложили оригинальную модификацию золь-гель процесса. В качестве кремнийсодержащего прекурсора выступил тетраэтоксисилан, магний вводился в виде нитратной соли. Специальным компонентом реакционной системы стал полиэтиленгликоль, выполняющий функцию структурообразующего агента. Каталитическое воздействие на реакцию гидролиза обеспечивала азотная кислота, создающая необходимую кислую среду.
В результате тщательно подобранных условий реакции синтезированы частицы-прекурсоры преимущественно сферической геометрии, размеры которых лежат в диапазоне от одного до пяти микрометров. Последующий высокотемпературный отжиг (свыше 900°C) превращает их в целевой форстеритовый порошок.
В чем заключается новизна подхода? Общепринятые золь-гель методики нацелены на получение наноразмерных частиц. Они отличаются высокой химической реакционной способностью, но обладают низкой технологичностью при формовании и плохо подходят для изготовления сложных геометрических форм. Согласно теоретическим предпосылкам, оптимальным решением для многих промышленных задач могли бы стать сферические микрочастицы, однако до настоящего времени для большинства керамических систем такие технологии не были разработаны.
«Мы адаптировали существующую методологию, изначально созданную для синтеза сферических микрочастиц биоактивных стекол с низким содержанием оксидов металлов. Основная сложность заключалась в сохранении сферической формы при одновременном точном соблюдении стехиометрии форстерита — соотношение магния к кремнию должно быть строго два к одному», — комментирует Александр Меженин, ассистент научно-образовательного центра имени Н.М. Кижнера при Томском политехническом университете.
Детальный анализ и устранение технологических дефектов
Для визуализации и изучения процесса формирования сферических частиц в растворе применялась оптическая микроскопия. Выяснилось, что при отклонении от оптимального режима синтеза наблюдается слияние частиц в массивные агрегаты размером до 30–50 микрометров, что негативно отражается на качестве конечного продукта.
Также была установлена нецелесообразность процедуры промывки высушенных гелей в изопропиловом спирте. Данная операция приводила к частичному растворению и вымыванию нитрата магния, что влекло за собой нарушение требуемого молярного соотношения элементов.
Только путем многоступенчатой оптимизации каждого этапа технологической цепочки исследователям удалось нейтрализовать эти негативные факторы.
«Итоговый продукт можно охарактеризовать как полусферический: доля полноценных микросфер составляет порядка пятидесяти процентов. Оставшаяся часть — это субмикронные включения, преимущественно представленные оксидом магния. Полностью элиминировать эту фракцию в рамках используемой системы, по-видимому, не представляется возможным. Тем не менее, даже в таком исполнении порошок демонстрирует высокую прессуемость и позволяет изготавливать плотную форстеритовую керамику», — резюмирует Александр Меженин.
Экспериментальная валидация: выдающиеся механические свойства
На основе синтезированных порошков методом одноосного прессования были сформованы керамические заготовки, которые подвергли спеканию при температурах от 1300 до 1600°C. Комплексное исследование микроструктуры, фазового состава и механических параметров полученных материалов продемонстрировало:
- Фазовая чистота: в образцах присутствует только форстерит без посторонних включений;
- Пористость: объем открытых пор составляет всего 1,3%;
- Плотность: относительная плотность достигает 91% от теоретического значения;
- Прочность: предел прочности при изгибе зафиксирован на уровне 228 МПа с минимальным разбросом значений;
- Твердость: микротвердость измерена в диапазоне 7,2 ГПа.
Достигнутые показатели находятся на одном уровне с характеристиками форстеритовой керамики, полученной из нанодисперсных порошков по традиционным золь-гель технологиям.
Перспективы развития исследования
Команда ученых планирует расширить область применения разработанных сферических порошков. Ближайшие задачи включают апробацию материала в реальных процессах формования, а именно: использование в коллоидных суспензиях для аддитивных технологий (3D-печати), а также при литье и экструзии.
В работе приняли участие специалисты научно-образовательного центра имени Н.М. Кижнера Томского политеха и представители Томского научного центра Сибирского отделения РАН.
Томский политехнический университет (ТПУ) продолжает демонстрировать высокую научную продуктивность. Ранее, как сообщал журнал «Химагрегаты», специалисты вуза разработали автономную установку для производства биотоплива, способную работать вдали от централизованных сетей снабжения. Обе технологии объединяет стремление к автономности и высокому качеству конечного продукта — будь то топливо или конструкционный материал.