Пористый проницаемый керамический материал на основе ZrO2 и Al2O3

Актуальность исследования: Развитие техники и промышленности требует применения новых видов керамики, в числе которых термостойкая, пористая, проницаемая керамика.
По сравнению с другими материалами керамика на основе оксидов циркония и алюминия имеет повышенную химическую и термическую стойкость. Эти факторы обуславливают возможность применения пористых керамических тел в условиях высоких температур и при протекании химических реакций, в том числе для очистки водных сред и газов, а также расплавов металлов. Наиболее распространенным методом получения пористой керамики является использование порообразующего агента, который выгорает во время термообработки, что приводит к образованию пор в керамике. Метод получил широкое распространение из-за простоты исполнения, экономической целесообразности и практичности. Однако данный метод имеет существенный недостаток – сложность в регулировании конфигурации пор и неравномерное распределение пор по объему материала, в то время как от конфигурации пор зависит проницаемость керамического материала, а соответственно и количество удаляемых частиц при фильтрации и возможность получения чистого продукта. Кроме того, метод практически не позволяет получить керамику с однонаправленными не извилистыми порами, что является ключевым критерием для процесса фильтрации. Получению пористых керамических материалов посвящено большое количество работ, при этом систематических исследований, направленных на получение керамики с заданным направлением пор, крайне мало. Поэтому исследование возможности регулирования пористости и разработка методов создания пористой проницаемой керамики повышенной прочности являются актуальным.
Исследования, положенные в основу диссертационной работы, выполнялись в рамках госзадания «Наука» Минобрнауки РФ 3.3055.2011

7
«Разработка научных основ получения наноструктурированных неорганических и органических материалов», договора «Разработка технологии получения высокопористой проницаемой наномодифицированной керамики и создание фильтрующих элементов для очистки промышленных газов» с АО «Институт металлургии и обогащения»
МОН РК (2015-2016 гг.).
Степень разработанности темы: Получению пористой прочной
оксидной керамики, в том числе на основе оксидов Al2O3-ZrO2, посвящены работы Баринова С.М., Кулькова С.Н., Буяковой С.П. и Морозовой Л.В. Сведенья о влиянии различных порообразователей на пористость и прочность керамики опубликованы в трудах как отечественных (Беркман А.С., Беляков А.В., Лукин Е.С., Савченко Н.Л. Вихирева Л.А., Колюн Н.Е. и др.), так и зарубежных ученых (Liu P.S., Preis A., Studart A.R., Fukasawa T., S. Deville и др.).
В настоящее время накоплен опыт получения керамики с проницаемой пористостью. Достигнутые значения открытой пористости керамики 30 – 60 % при прочности от 26 до 81 МПа. Наибольший интерес вызывает метод кристаллизации добавки в объеме суспензии. В качестве добавок используют как органические, так и неорганические вещества, которые способны кристаллизоваться при температуре ниже нуля. Но при этом не рассматриваются процессы получения пористой керамики с добавками, кристаллизующимися уже при температурах 0-30 ̊С.
Объект исследования: пористая керамика с проницаемыми порами на основе оксидов системы ZrO2 и Al2O3.
Предмет исследования: процесс формирования пористой проницаемой структуры керамики повышенной прочности на основе оксидного порошка и порообразующей добавки.
Цель работы: разработка состава и технологии получения пористой прочной оксидной керамики с тонкими проницаемыми порами.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

8
-исследование морфологии порового пространства при использовании
различных типов выгорающих добавок;
-разработка состава керамики на основе смеси оксидов Al2O3-ZrO2; -исследование влияния материала формы и условий кристаллизации
порообразователя (температура и скорость охлаждения суспензии) на морфологию пор;
-разработка технологии получения проницаемо пористых керамических материалов с заданным расположения пор.
Научная новизна работы:
1. Установлено, что создание проницаемо пористой структуры алюмоциркониевой керамики возможно в процессе охлаждения оксидной суспензии в интервале температур 65 – 0оС при применении в качестве дисперсионной среды насыщенного раствора карбамида, способного к образованию иглообразных кристаллов. При этом направленная кристаллизация, обеспечивающая параллельное расположение пор, реализуется при градиенте температуры в объеме суспензии 9,5±1,5·102 град/м.
2. Установлено, что упрочнение пористой структуры алюмо- циркониевой оксидной керамики достигается упрочнением стенок пор за счет концентрации нанодисперсных оксидов на их поверхности в процессе обжига или формированием в объеме поры упрочненной проницаемой структуры. При кристаллизации карбамида в оксидной суспензии частицы нанодисперсного порошка адсорбируются на поверхности формирующихся удлиненных кристаллов и при выгорании обеспечивают упрочнение стенок канальной поры; в случае использования волокнистого порообразователя в виде натуральных нитей импрегнированный в их объем нанопорошок оксида при выгорании волокон заполняет объем поры проницаемым слоем неплотно спеченного оксида. Армирование внутреннего объема повышает прочность керамики в 2 – 2,3 раза (до 305 МПа) по сравнению с керамикой без добавок.

9
3. Установлено, что при параллельно-трубчатом строении пористой
структуры керамика обладает анизотропией свойств: прочности и проницаемой пористости. За счет формирования на поверхности кристаллов карбамида твердого каркаса, упрочняющегося в процессе спекания, показатели прочности, замеренные вдоль параллельно расположенных пор, превышают показатели, замеренные в перпендикулярном направлении в 3 раза, а проницаемой пористости на 40%.
Теоретическая значимость работы заключается в получении новых данных о формировании пористой структуры алюмо-циркониевой керамики в части образования проницаемых пор при кристаллизации порообразователя в оксидной суспензии и укрепления порового пространства нанодисперсным оксидным компонентом.