Специалисты Томского политеха совместно с коллегами из Томского научного центра Сибирского отделения Российской академии наук разработали новый способ получения сырья для форстеритовой керамики. Этот материал востребован в производстве огнеупоров, электронных компонентов и медицинских изделий. Ученым удалось получить частицы, которые позволяют создавать плотные и прочные керамические заготовки.
Как сообщает пресс-служба вуза, суть работы заключалась в поиске оптимального метода синтеза форстерита. Это соединение магния, кремния и кислорода ценится за высокую огнеупорность и биосовместимость, однако традиционные технологии часто дают неоднородное сырье, которое плохо поддается формовке. Исследователи применили золь-гель метод, взяв за основу тетраэтоксисилан, нитрат магния и полиэтиленгликоль, а процесс шел в растворе азотной кислоты.
«Золь-гель методы обычно используют для получения наночастиц, которые, несмотря на высокую активность, плохо формуются и мало подходят для получения керамических изделий сложной формы. Мы частично восполнили этот пробел, взяв за основу метод для синтеза сферических частиц биоактивных стекол. Ключевая трудность заключалась в том, чтобы найти условия синтеза, при которых удалось сохранить и сферическую форму частиц, и стехиометрию форстерита с соотношением магния и кремния 2:1», — поясняет ассистент Научно-образовательного центра Н.М. Кижнера ТПУ Александр Меженин.
В ходе экспериментов ученые проанализировали процесс образования частиц в растворе. Выяснилось, что при неправильно подобранных условиях сферы сливаются в крупные капли размером до 50 микрометров, что портит свойства порошка. Кроме того, нежелательной оказалась и промывка высушенных гелей в изопропиловом спирте: она вымывала часть нитрата магния и нарушала химический состав материала. Оптимизация методики позволила устранить эти недостатки.
В итоге специалисты получили порошок, который корректнее называть полусферическим. По словам Меженина, идеальные микросферы составляют около половины всех частиц, а остальное приходится на субмикроскопические частицы оксида магния. Тем не менее, даже в таком виде материал показывает хорошую формуемость и позволяет создавать качественную плотную керамику.
Из полученного сырья ученые спрессовали образцы и спекли их при температурах от 1300 до 1600 градусов Цельсия. Исследования показали, что керамика обладает чистым форстеритовым составом, открытой пористостью 1,3% и относительной плотностью 91%. Прочность при изгибе составила 202 мегапаскаля, а микротвердость — 7,2 гигапаскаля. Эти цифры сопоставимы с характеристиками материалов, полученных из более дорогих нанопорошков.
В дальнейших планах научной группы — проверка поведения новых сферических порошков в реальных производственных процессах. В частности, речь идет об использовании суспензий для трехмерной печати, технологиях литья и экструзии.
