Самораспространяющийся высокотемпературный синтез шпинельсодержащих пигментов в системе ZnO-МgO-CoO-Al2O3 | Вестн. Том. гос. ун-та. Химия. 2016. № 1(3).

Самораспространяющийся высокотемпературный синтез шпинельсодержащих пигментов в системе ZnO-МgO-CoO-Al2O3

Методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза получены керамические пигменты шпинельного типа в системах ZnO-CoO-АЮз и ZnO-MgO-СоO-Al20з. Установлено, что на малых образцах (диаметром 10-20 мм) в результате обеспечения их равномерного прогрева за короткое время наблюдается устойчивый режим послойного горения. Недостаточный прогрев шихты на средних и больших образцах (диаметром 60-90 мм) может привести к потере устойчивости стационарного режима, который переходит в спиновый. Спиновый очаг формируется за счет перераспределения температур в сечении образца. В области повышенных температур пигмент приобретает темный цвет и связан с частичным разрушением пигмента. При послойном горении (Тмах=1 600°С) в процессе твердофазной реакции шпинель кристаллизуется в виде октаэдров и плоских треугольных пластинок. В результате повышения температуры (~1 700-1 800C) в процессе СВС образуются субоксиды алюминия, наблюдается эпитаксиальный рост слоев шпинели, начинающийся с возникновения на подложке отдельных зародышей, и протекающий по ПК-механизму. В условиях ускоренного роста образуются реберные формы скелетовидных кристаллов. Температура синтеза пигментов определяется соотношением тАЬОз/тАl. При температурах >2000°С (тАЬ0з/тА1<5,8) происходит разрушение шпинели с образованием корунда, оксида кобальта СоО и частично обращенной шпинели. В результате механоактивации шихты, продукты синтеза из газовой фазы не обнаруживаются, что связано с преобладанием термитных реакций СВС процесса над прямым окислением алюминия являющиеся ведущими реакциями СВС процесса, возникновениме зародышей новых фаз, приводящих к снижению температур синтеза шпинелей. Тщательное перемешивание шихты приводит к увеличению полноты синтеза шпинелей. В продуктах синтеза значительно снижается количество металлического кобальта, однако фаза а-АЬОз сохраняется. В процессе сгорания НПА в продуктах синтеза образуется нитрид алюминия AIN. В процессе получения алюмошпинелей с использованием порошков различных марок (АСД-1, АСД-4, НПА) нитрид алюминия не образуется что, возможно, связано с образованием MgAlD4 из AIN. Отсутствие связанного азота в пигментах подтверждено методом дистилляции по Кьельдалю. Состав продуктов подтвержден рентгенофазовым и ИК-спектроскопическим анализами.

Self-propagating high-temperature synthesis of spinel-containing pigments in the ZnO-МgO-CoO-Al2O3.pdf Существует ограниченное число кристаллических систем, способных сохранять свои цветовые свойства при высоких температурах. К ним относятся шпинели, представляющие собой сложные оксиды, имеющие кубическую сингонию [1]. Для шпинелей характерны высокотемпературные условия образования, поэтому технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) шпинельсодержащих пигментов является перспективной. Она обладает рядом преимуществ по сравнению с традиционными - керамическим и золь-гель методом. Это высокие температуры, достигаемые за счет экзотермических реакций синтеза, быстрота протекания процессов, простота оборудования, экологичность. Как правило, СВ-синтез шпинельсодержащих пигментов проводился в режиме послойного горения, однако с использованием образцов больших диаметров в некоторых случаях наблюдался спиновый режим горения, отрицательно сказывающийся на цветовых характеристиках пигментов. Целью работы является изучение влияния температуры синтеза пигментов и режимов горения на фазовый состав и структуру продуктов, образующихся в результате химических превращений в волне горения. Для синтеза пигментов шпинельного типа применялись оксиды: ZnO, MgO, AI2O3, Со2Оз, СозО4 квалификации «ч» и «хч». В качестве металла-восстановителя использовался порошок алюминия марки АСД-4. Механо-активацию шихт пигментов осуществляли в планетарной мельнице М3 (45 g), объем барабанов которой составлял 10 дм3 с загружаемой массой смеси в 50 г (масса смеси : масса шаров = 1 : 6). Синтез пигментов проводился на воздухе при атмосферном давлении. Смеси засыпались в стаканчики из металлической сетки диаметром 10, 20, 40, 60, 80, 90 мм, которые помещались в печь сопротивления. Пигменты на основе алюмокобальто-вых шпинелей, с использованием шихт насыпной плотности, были получены в системах ZnO-^O-AhO3 и ZnO-MgO-СоО-Al2Oз. Для обеспечения стационарного режима послойного горения смесь подогревалась до температур 300-500°С, поджиг осуществлялся от электроспирали с торца образца. Для контроля температуры подогрева и температур синтеза применялись вольфрам-рениевые термопары, помещенные на поверхности и в центре образцов. Идентификацию исходных компонентов и продуктов реакций проводили при помощи рентгенофазового анализа на дифрактометре ДРОН-УМ1 (фильтрованное Со Ка-излучение) и инфракрасной спектроскопии в области 1 200-400см-1 на ИК-Фурье спектрометре Nicolet 5700 на приставке диффузного отражения в KBr, для изучения микроструктуры полученных пигментов использовалась растровая электронная микроскопия (Philips SEM 515). Используя смеси оксидов металлов с алюминием, выступающим в качестве восстановителя, СВС методом c применением МА шихты в системе ZnO-MgO-^0-Al2O3 можно получить практически однофазный продукт реакции - шпинель состава ZnxMgyCo1-x-yAhO4 (0

Ключевые слова

шпинель, керамические пигменты, алюминий, самораспространяющийся высокотемпературный синтез, spinel, ceramic pigments4 aluminum, SHS

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Львов Олег Владимирович Томский научный центр СО РАНинженер Отдела структурной макрокинетикиLvov@vtomske.ru
Назарова Анастасия Юрьевна Томский научный центр СО РАНмнс отдела структурной макрокинетикиcay@sibmai1.com
Касацкий Николай Григорьевич Томский научный центр СО РАНснс отдела структурной макрокинетикиcombustion2005@yandex.ru
Радишевская Нина Ивановна Томский научный центр СО РАНканд. техн. наук, снс отдела структурной макрокинетикиvladrad95@mail.ru
Всего: 4

Ссылки

Масленникова Г.Н., Пищ И.В. Керамические пигменты. М. : ООО РИФ «Стройматериалы», 2009. 224 с.
Рогачев А.С., Мукасьян А.С. Горение для синтеза материалов. М. : Физматлит, 2013. 400 с.
Гиваргизов Е.И. Рост нитевидных и пластичных кристаллов из пара. М. : Наука, 1977. 304 с.
Куликов И.С. Раскисление металлов. М. : Металлургия, 1975. 504 с.
Похил П.Ф., Беляев А.Ф., Фролов Ю.В., Логачев В.С., Коротков А.И. Горение порошкообразных металлов в активных средах. М. : Наука, 1972. 294 с.
Рузинов Л.П., Гуляницкий Б.С. Равновесные превращения металлургических реакций. М. : Металлургия, 1975. 416 с.
Громов А.А., Хабас Т.А., Ильин А.П. и др. Горение нанопорошков металлов. Томск : Дельтаплан, 2008. 382 с.
Степин В.В., Курбатова В.И., Федорова Н.Д., Сташкова Н.В. Определение малых концентраций компонентов в материалах черной металлургии : справочник. М. : Металлургия, 1987. 256 с.
 Самораспространяющийся высокотемпературный синтез шпинельсодержащих пигментов в системе ZnO-МgO-CoO-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | Вестн. Том. гос. ун-та. Химия. 2016. № 1(3).

Самораспространяющийся высокотемпературный синтез шпинельсодержащих пигментов в системе ZnO-МgO-CoO-Al2O3 | Вестн. Том. гос. ун-та. Химия. 2016. № 1(3).