クリーンソースからの高温アルミナ/チタン酸アルミニウムセラミック複合材料の処理

Jun 21, 2023

Scientific Reports volume 12、記事番号: 5957 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

クリーンな資源から高性能の新しい技術材料を生産することは世界的な要件となっています。 アルミナ/チタン酸アルミニウム (Al2O3/Al2TiO5) 複合材料は、さまざまな高度な用途で使用される高温に耐える材料です。 この研究では、低コストのプロセスにより、高温用途向けに高い熱的および機械的特性を備えたさまざまな Al2O3/Al2TiO5 複合材料が得られました。 目的の複合材料は、か焼したアルミナと、1650 °C/2 時間の温度での無加圧焼結によってエジプトの黒い砂から抽出されたルチル鉱石から製造されました。 ルチルは、焼結性と熱機械応答を促進するために、異なる含有量 (0 ～ 40 wt%) でアルミナに添加されました。 相組成、緻密化、微細構造特徴、機械的および熱的特性の観点から、製造された複合材料の評価を調査しました。 結果は、少量のルチル (10 および 20 wt%) の添加が安定した Al2O3/Al2TiO5 複合構造の形成に成功したことを示しました。 しかし、ルチルの含有量が高くなると、Al2TiO5 が豊富なマトリックス複合材料が形成されます。 さらに、ルチル含有量を増やすことにより、調和した微細構造と強化された機械的強度を備えた高密度複合材料が得られました。 ルチルを 10 wt% だけ添加した複合材料は、3.6 g/cm3 という最高の密度と、それぞれ 488.73 MPa と 106.19 MPa という最高の冷間圧壊強度および破断係数の値を示しました。 特に、ルチルの添加は、得られる複合材料の熱特性と1400℃の高温までの熱安定性の促進に大きな効果をもたらします。 本研究は、アルミナへのルチル鉱石の添加が、高温用途における Al2O3 の緻密化と熱膨張を改善する経済的な方法の 1 つであることを示しています。 純粋な TiO2 の代わりに、Fe2O3、Al2O3、SiO2、ZrO2、MgO などの熱安定剤を含むルチル鉱石などのクリーンなソースを使用することは、反応焼結の改善に顕著な役割を果たし、高品質の材料が得られます。 したがって、焼結 Al2O3/Al2TiO5 複合材料は、高度な用途向けの有望な高温材料と考えられます。

今日、産業のさまざまな分野の継続的な発展に伴い、高温先端材料の処理が緊急の要件となっています。 高温材料とは、500 ～ 600 °C の範囲の温度環境に耐えるものであることが確立されています1,2,3,4。 そのため、セラミックと耐火材料が高温用途の最も有望な候補と考えられていました。 また、高温用途に対する材料の適合性と持続可能性は、高温での熱的および機械的性能、ならびに製造コストに依存することも判明しました。 さらに、経済的および産業的な観点から、これらの高温材料が直面する最も重要な問題の 1 つは、コストを削減することです5。 したがって、主な課題は、高い熱的特性と機械的特性を備えた高温材料を低コストで入手することです。

最もよく知られている高温セラミック材料の 1 つはアルミナ (Al2O3、A) です。 構造用セラミック材料としてよく知られており、その優れた特性によりさまざまな用途分野で広く使用されています。 これらの特性には、高融点、化学的不活性、優れた耐食性、耐摩耗性、硬度、高い絶縁性、加工の容易性などがあります。 しかし、アルミナの壊滅的な破損は、熱変化により高度化された大きな応力により、急性の熱環境下で発生します。 さらに、アルミナは機械的強度が高いにもかかわらず、熱膨張率（α20–1000 °C = 8 * 10–6 K–1）と熱伝導率が高いため、一部の高温構造用途の範囲が制限されます6、7、8、9。 。

さらに、チタン酸アルミニウム（Al2TiO5、AT）は、優れた耐熱衝撃性、高い耐食性、低い熱膨張係数を特徴とする、期待される高温セラミック材料です。 したがって、熱処理技術、断熱材、耐火物、冶金、ガラスおよび自動車産業、エンジン部品など、さまざまな厳しい熱環境で成功する候補として考えられています8,9,10,11,12,13,14。 15.

また、AT は、一部のセラミック複合材料の熱的および機械的特性を改善するためのセラミック添加剤としても使用されました 16。 さらに、いくつかの研究では、AT をアルミナ セラミックに挿入すると、破壊靱性と機械的特性が向上することが確認されています。 この強化は、A と AT16、17、18、19 の間の熱膨張係数の大きな不一致によって引き起こされる局所残留応力の結果です。 また、Al2TiO5 を Al2O3 複合材料に添加すると、耐傷性がより優れた新しい材料が形成されることもわかりました 17,18。

したがって、A と AT を 1 つの複合構造に結合することは、アルミナの熱機械応答を強化する上で重要な役割を果たし、AT セラミックスの注目すべき問題を克服し 20,21 、高度な高温用途向けに特性が強化された新しい調整された材料を提供します。 カスタマイズされた A/AT セラミックスの機能的および構造的特性により、遮熱コーティングなどに加えて、ディーゼル エンジンの排気フィルター コンポーネント、高温セラミック基板、熱電対シースなど、広範囲にわたる高度な用途に適しています。アプリケーション6、8、9。

A/AT セラミック システムの調製と特性評価を調査した研究は限られています 6、8、9、10、11、16、17、18、19。 これらの以前の研究では、A/AT セラミックは、A と二酸化チタン (TiO2、T) の間の固相反応、または A と AT6,22 の直接焼結のいずれかによって得られました。 ただし、純粋な T の製造コストは比較的高く、プロセスが複雑です。 私たちの知る限り、きれいな自然源から A/AT 構造を取得した研究はありません。

さらに、ホットプレス、スパークプラズマ焼結、化学蒸着、ゾルゲル処理、自己伝播燃焼合成など、高温セラミック材料を製造するためのさまざまな方法が報告されています16、17、18、19。 しかし、これらの技術は複雑な処理と非常に高価な出発原料を必要とします。 対照的に、無加圧焼結は非常に簡単でコスト効率の高い方法です。 これは材料粉末を成形する最も簡単な方法であり、金型の壁、重力、大気圧の制約以外の外力を必要としません。 耐火材料だけでなく、酸化物セラミックや炭化物および窒化物材料の焼結にも使用できます。 したがって、工業的な推定から、高効率かつ低コストで先端材料を調製するには、無加圧焼結法が最も適切な方法である10,11。

一方、ルチルは最も広く普及している鉱物で、主に二酸化チタンで構成されています。 その屈折率は、既知の鉱物の中で最も高いものの 1 つと考えられています。 耐火物やセラミック材料の製造やさまざまな産業用途に使用されています。 ルチルを抽出するための最も経済的な方法は、鉱物砂の風化した堆積物からルチルを回収することであることが判明しました 23,24。

さらに、エジプトの黒い砂にはいくつかの経済的な鉱物が含まれています。 ルチルは、これらの黒い砂の中で非常に重要な鉱物の 1 つと考えられています。 ルチルを含む、エジプトの黒い砂から採れる個々の経済的な鉱物のほとんどは、湿式重力濃縮や磁気分離技術など、さまざまな低コストで簡単な技術を使用することで、市場性のあるグレードで入手でき、一般に認められた回収が可能です25。 したがって、黒い砂鉱物から抽出されたルチル鉱石は、二酸化チタンセラミックの主な供給源であることが強く認められています。

チタン含有鉱石（ルチルなど）が採掘されたら、それらを純粋な酸化チタンで覆う必要があります。 TiO2 の主な製造方法の 1 つは塩化物プロセスであり、ルチルが使用されます。 このプロセスには、大量の重要な化学物質と多大な量のエネルギーが必要です。 未反応の鉱物やさまざまな塩素化合物の廃棄物（固体または液体）とは別に、塩化物操作ではガス状粒子、塩素、二酸化硫黄が排出される可能性があります23。 純二酸化チタンの製造から生じるさまざまな問題によると、高いエネルギーコスト、有害化学物質の消費、大量の有害ガスの生成、廃棄物とともに酸性物質の排出が伴い、これらは環境に重大な害を及ぼす可能性があります。 ルチル鉱石は、いくつかの産業で直接使用されることが強く示唆されています24,25。 したがって、この研究の主な目標は、低コストで環境に優しい方法で最適化された熱的および機械的特性を備えた高温工業用セラミック材料を合成することです。 その結果、先進的な高温 A/AT セラミック複合材料が、天然のクリーンな原料から低コストの加工で初めて製造されました。 高温および高度な用途向けに、高い熱的および機械的性能を備えたさまざまな Al2O3/Al2TiO5 複合材料が開発されています。 提案された複合材料は、焼成アルミナとエジプト黒から抽出されたルチル鉱石との固溶体反応により、1650 °C/2 時間の温度で生成されました。 ルチルは、焼結性と熱機械応答を促進するために、異なる含有量 (0 ～ 40 wt%) でアルミナに添加されました。 さらに、Fe2O3、Al2O3、SiO2、ZrO2、MgOなどの安定剤をすでに含むルチル鉱石などのクリーンな天然原料を使用することは、製造プロセスのコストを削減し、製造された複合材料の特性を変更する上で重要な役割を果たしています。 相組成、緻密化、微細構造特徴、機械的および熱的特性の観点から、製造された複合材料の評価が評価および分析されました。

この研究では、アルミニウムと酸化チタンの原料間の固相反応から A/AT 複合材料を調製することを検討しました。 この研究で使用される出発材料は、主粒子サイズが d50 = 9.227 μm の高純度 (99.4%) 焼成アルミナです。 これは、ヨーロッパ、スロベニア、Tovarniska cesta、Silkem、doo の SALOX®M-1FG (GKE-MF) によって供給されました。 エジプト核物質庁が TiO2 源として使用した、ノースショアの黒い砂の選鉱鉱床からの主粒子サイズ d50 = 2.384 µm のルチル鉱石。

化学分析および相組成の観点から出発セラミック材料の詳細を表 1 および図 1 に示します。

出発物質の XRD パターン: 焼成アルミナ (a) とルチル鉱石 (b)。

粉末冶金技術によって、さまざまなルチル鉱石含有量 (0 ～ 40 wt%) を含む A/AT 複合材料の 5 つの異なるセラミック バッチが製造されました。 アルミナとルチルの出発物質の割合が異なるサンプルの指定/命名法を表 2 に示します。各複合混合物を遊星ボールミルで 2 時間エタノール中で均一に混合しました。 混合物を乾燥させ、＜３００μｍの篩に通した。 直径 2.5 cm の円筒形の圧粉体を、95 MPa での一軸プレス (KPD-30 A、スペイン) によって製造しました。 最終複合材料は、電気炉 (HT 16/17、Nabertherm、ドイツ) を使用して、1650 °C/2 時間の温度で無加圧焼結することによって製造されました。 焼結プロセスの加熱速度は 5 °C/min で一定に保たれました。

出発複合材料および異なる焼結複合材料の相分析は、Brucker D8-advance X 線粉末回折計を使用し、Cu Ka 放射線 (k = 1.5406 Å) を使用して実行されました。 X 線回折計には、各複合材料の反応と相の含有量を追跡するための半定量測定機能が取り付けられています。 Panalytical XRF (Model Advanced axios、オランダ) を使用して、出発物質の化学組成を決定します。

焼結複合材料のかさ密度および見かけの気孔率に関する緻密化パラメーターは、水性媒体としてエタノールを使用するアルキメデス浸漬法、ASTM C 373-72、198426 によって得られました。さまざまな複合材料の線形収縮は、試験片の直径を決定することによって計算されました。焼結前と焼結後。

焼結複合材料の微細構造特性は、エネルギー分散型 X 線マイクロアナライザー (EDX) を備えた電界放射型走査電子顕微鏡 (FESEM; QUANTA FEG250、オランダ) の後方散乱電子 (BSE) によって調査されました。

線熱膨張 (LTE) とその係数 (CTE) は、膨張率測定 (Linseis Inc.、ドイツ、モデル L76/1550) を使用して、室温から 1400°C までの温度範囲で、10 °C の加熱および冷却速度で実行されました。 ℃/分測定は、直径 5 mm、長さ 35 mm に決定された試験片に対して実行されました。 測定は、得られた複合体の組成ごとに３個ずつ行い、最終的に平均値とした。

試験片の曲げ強度（破断係数、MOR）は、（LFM-L 20 kN、Walter + Baiag、オーストラリア）を使用した 3 点曲げ試験によって推定されました。

冷間圧壊強度（ＣＣＳ）は、万能試験機（島津製作所製、日本製、型式ＵＨ−Ｆ１０００ＫＮ、容量２０〜１０００ＫＮ）を用いて、ＡＳＴＭ Ｃ １４２４−０４、２００６２７に従って測定した。 試験片を 2 つのロード ブロックに注意深く配置し、ロード ブロック内で試験片の位置が確実に揃っていることを確認しました。 荷重は、クロスヘッド速度 1 mm/min でゆっくりと加えられました。 冷間圧壊強度 (CCS) は、次の式に従って計算されました28:

ここで、CCS = 冷間圧壊強度 (N/mm2)、W = 破壊荷重 (N)、A = 試験片の断面積 (mm2)。

図 2 は、異なるルチル含有量 (0 ～ 40 wt%) での 1650 °C/2 時間での無加圧焼結 A/AT 複合材料の XRD パターンを示しています。 ルチル添加なし（０Ｒ）の複合材料の場合、識別されたピークはすべてアルミナ相のみに対応することが分かった。 しかし、10 wt% のルチルを添加すると、アルミナとルチル セラミックの間に形成される固相反応により、チタン酸アルミニウムのピークが現れ始めます。 ルチル含有量が 20 および 30% を超えて増加すると、形成された AT ピークの強度が増加し、アルミナ ピークの強度が減少しました。 ルチル添加量が 40% の複合材料 (40 R) では、AT ピークが支配的な相となり、A ピークはわずかに現れます。 したがって、高含有量のルチルを添加することでAT成立の可能性がより高まるといえる。

異なるルチル含有量 (0 ～ 40 wt%) の焼結 A/AT 複合材料の XRD パターン。

一方、さまざまな焼結複合材料の見掛け気孔率と嵩密度に関する緻密化パラメータは、図 3 に示すように測定および計算されます。ルチル添加なしの複合材料 0 R は、最低密度 3.24 g/cm3 と最高密度を記録しました。気孔率は16.75%。 しかし、アルミナに 10 wt% のルチルを添加すると、サンプルの密度は増加して 3.60 g/cm3 に増加し、気孔率は 5.55% に急激に減少しました。 少量のルチル含有量の添加による A/AT 複合材料の緻密化パラメーターのこの大幅な向上は、アルミナ応答における効果的かつ積極的な役割を反映しています。 この挙動は、アルミナ構造内でのルチルの均一な拡散と達成された液相反応に起因すると考えられます。 対照的に、ルチル含有量が 10 wt% を超えて増加すると、この状況は完全に変わります。 別の意味では、ルチル含有量が 20% に増加すると、密度が減少し、気孔率が増加します。 40% ルチルを含む複合材料では、密度値が 3.31 g/cm3、気孔率が約 8% でした。 それでも、これらの値は、0% ルチル複合材料で達成される値よりも優れています (図 3)。より高い含有量のルチル (20 ～ 40 wt%) を追加すると、A/AT 複合材料の緻密化パラメーターがわずかに減少します。これは、より高い含有量の AT の形成に起因すると考えられます (XRD パート、図 2 で説明)。 完全に緻密な焼結 AT 構造を達成することが非常に難しいことはよく知られています 6,10。 さらに、AT はアルミナよりも密度が低い10,11。 したがって、形成されるＡＴの量が増加すると、得られる構造の緻密性が低下することになる。

異なるルチル含有量 (0 ～ 40 wt%) の焼結 A/AT 複合材料の見かけの気孔率と嵩密度。

収縮は、焼結プロセスの効率を決定する特徴的な方法です。 高度に焼結された材料の尺度は 5 ～ 20% の線収縮であると報告されています 29,30。 異なるルチル含有量 (0 ～ 40 wt%) の焼結 A/AT 複合材料の線形収縮 (直径 %) を図 4 に示します。注目すべきことに、焼結複合材料の線形収縮挙動はかさ密度に正比例します。 少量のルチルを添加すると (10%)、かさ密度が大幅に向上し、その結果、線収縮が増加しました。 これは、前に説明したように、液相焼結中の粒界の修正によって説明できます。 対照的に、高レベルのルチルの密度と線形収縮の比較的小さな減少は、XRD データによると、各サンプルで形成された相に起因すると考えられます (図 2)。10% を超えるルチルを導入すると、より多くの相が形成されます。チタン酸アルミニウムは、密度が低く、粒子成長現象が大きくなります。 結論として、この線形収縮の減少は、おそらくチタン酸アルミニウムの粒成長と微小亀裂の形成に関連している可能性があることが示唆されています。 最高の収縮率 21.64% は 10 R 複合材で達成され、最低の 16.52% は 0 R 複合材で得られます。 アルミナセラミックにわずか 10% のルチルを添加することで達成されるこの優れた収縮率は、ルチル添加の独特な挙動を裏付けています。

異なるルチル含有量 (0 ～ 40 wt%) の焼結 A/AT 複合材料の線形収縮、%、および嵩密度。

さまざまな焼結 A/AT 複合材料の高倍率と低倍率の FE-SEM 顕微鏡写真を図 5 に示します。さまざまなサンプルの微細構造は、アルミナ構造を備えた形成されたチタン酸アルミニウムの均質な混合により形成されたチタン酸アルミニウムの緊密な拡散と分布を示しています。出発物質と完全に達成された固溶体反応。 ルチルクリーンソースの反応性も考慮に入れることができます。 ルチル無添加（０Ｒ）の複合体では、アルミナ粒子が様々な形状、大きさで分布している。 それらは等軸および立方体の形で明確に存在します。 また、中には2～5μm程度の小さなものもあります。 他の小さな粒子がアルミナ マトリックスのいくつかの領域に分布しています。 また、10μmを超えない大きな粒子もいくつか観察される。 マトリックス全体にわたる大小の粒子の分布は、アルミナの部分的な粒子成長を示しています。 微細構造には、いくつかの粒子間細孔と開放細孔も示されており、これはアルミナの部分的な粒子成長によって明らかにされる可能性があります。 これらの細孔の存在により、粒子間に圧縮されていない構造が生じます。これは、高密度化のセクションで前述したように、このサンプルの低密度と高気孔率を説明します。

異なるルチル含有量 (0 ～ 40 wt%) の焼結 A/AT 複合材料の FE-SEM 顕微鏡写真。

一方、アルミナに 10 wt% のルチルを添加すると (10 R サンプル)、比較的大きな粒子がいくつか現れ、核生成と AT 構造の形成が確認されました。 AT 粒子のサイズがアルミナ セラミックよりも大きいことはよく知られています。 また、開いた毛穴はほとんど消失しており、代わりに閉じた毛穴が一部観察されています。 10 R 複合材料の微細構造は、アルミナの非常に小さな粒子とともに、7 ～ 18 μm 程度の適度に緻密で均一に分布した粒子を示しました。 ただし、30 R や 40 R など、ルチルを多く添加した複合材料では、約 10 ～ 20 μm のわずかに大きな粒径が表示されるようです。 さらに、これらの高ルチル複合材料では、等軸粒子とともに、形成された丸く細長い粒子がいくつか観察されます。 ルチルを添加した複合材料の焼結速度の向上は、液相と AT の第 2 相の形成に関連しており、これらが細孔を埋めて緻密化を高めます 10、11、31。 さらに、AT とともにアルミナが存在すると、AT とアルミナの両方の粒子成長が制御されると予想されます8。 注目すべきことは、ルチルを１０重量％添加すると、アルミナ粒子のサイズがルチルを添加しない複合材料（０Ｒ）のサイズとほぼ同じであったことである。 対照的に、ルチル含有量が 20 wt% を超え 40 wt% まで増加すると、AT の異常な粒子成長が発生し、最終的には微小亀裂が発生します。 この挙動は、ルチル含有量の増加により AT6、10、11 の形成が増加することに起因すると考えられます。 その結果、存在するアルミナの量は少なくなり、この粒成長挙動を完全に阻止するには十分ではありませんでした。 そのため、ルチル含有量を多く添加した複合材料（30 および 40 wt%）では、いくつかの大きな粒子が観察されます。 また、図 6 に示すように、高倍率の顕微鏡写真では小さな微小亀裂がいくつか観察されます。アルミナと AT 粒子（A および AT の記号で示されています）の分布と拡散は、EDS 分析によって確認されました（図 7）。

ルチル含有量が高い (30 および 40 wt%) 焼結複合材料におけるマイクロクラックの分布。

焼結した 30 R および 40 R 複合材料中のアルミナとチタン酸アルミニウムの EDS 分析。

室温で測定した焼結 A/AT 複合材料の曲げ強度 (破断係数: MOR) および冷間圧壊強度 (CCS) に関する機械的特性を図 8 に示します。注目すべきことに、機械的強度とルチル添加量との相関関係が示されました。緻密化パラメータ/ルチル添加曲線の同じ傾向（図 3）。これは、強度と密度の間に強い関係があることを示しています。 0 R サンプルでは、​​それぞれ 226.5 MPa と 89.3 MPa の CCS 値と MOR 値が得られます。 10 wt% のルチルを添加すると、CCS 値と MOR 値はそれぞれ 488.7 MPa と 106.1 MPa に著しく改善されました。 その後、40 R 複合材料の CCS 値と MOR 値がそれぞれ 219.8 MPa と 63.8 MPa に達するまで、ルチル含有量の継続的な増加 (> 10 wt%) に応じてそれらの値は徐々に減少します。 10 wt% ルチルを含む複合材料の機械的強度の増加は、形成された液相と固溶体反応によるアルミナと AT 粒子の結合中に細孔の数またはサイズが減少することによって説明される可能性があります 10,11。 ルチルの過剰な添加 (20 ～ 40 wt%) に関連する機械的強度値の低下は、図 2 の XRD データによれば、各バッチで形成された相によるものである可能性があります。ルチルのレベルが低い場合、主な強度は低下します。相はAl2O3であった。 しかし、より多くのルチルを挿入すると、Al2TiO5 が主相になります。 Al2O3 は密度が高く、機械的強度が高くなります。 さらに、この挙動は、AT 粒子の含有量の増加とこれらの複合材料の多孔度レベルの増加に伴う AT 粒子の異常な粒子成長に起因する可能性があります。 これにより、マイクロクラック形成が開始され、ルチルをさらに添加すると（図 5 および 6 に示すように）マイクロクラックが増加し、結果として機械的強度が低下します。 さらに、この研究で得られたサンプルの機械的強度は、いくつかの調製方法を使用してさまざまな添加剤によってさらに修飾された純粋な酸化物から合成された AT について文献で報告されているものよりも大幅に大きいことがわかります (比較については表 3 を参照)。 。

異なるルチル含有量 (0 ～ 40 wt%) の焼結 A/AT 複合材料の CCS および MOR。

高温セラミック材料の製造および加工を必要とするさまざまな産業分野では、これらの材料の多くは、大きな熱応力を発生させる急激な温度変化によって劣化します。 その結果、使いやすさと生産性が制限されます。 したがって、厳しい熱衝撃用途には、非常に低い熱膨張率の材料が必須です。 熱膨張挙動の調査は、高温環境における材料の寿命、適合性、持続可能性を判断する上で非常に重要です29,30。 焼結 A/AT 複合材料 (ルチル添加量 0 ～ 40 wt%) の線熱膨張 (LTE) とその係数 (CTE) を温度 (100 ～ 1400 °C) の関数として図に示します。 ０Ｒ複合材料の熱膨張挙動は、他のルチル添加複合材料と比較して、異なる傾向を示すことが分かった。 ルチルを添加した複合材料と無添加の複合材料の熱膨張曲線を比較すると、ルチル含有量が増加する（40重量％まで）につれて熱膨張値が連続的に減少することが検出されたことが明らかになった。 明らかにわかるように、ルチルをさらに添加すると、熱膨張値はより高い負の値に向かってシフトします。 XRDと微細構造分析によると、この挙動は粒子の成長以外にチタン酸アルミニウムの継続的な増加によるものと考えられます。 ATの結晶はさまざまな方向を持ったドメインから構成されています。 その結果、ATの熱膨張率には異方性が生じます。 したがって、冷却プロセス中に、AT の単結晶ドメインが収縮し、その結果、異方性が生じ、微小亀裂が発生します。 そうしないと、加熱操作中に AT の特異結晶ドメインの拡大が発生します。 それにもかかわらず、結晶ドメインの拡大は微小亀裂の存在によって妨げられました 32,33。 したがって、AT を含むルチル添加サンプルの加熱中に明らかな膨張は観察されませんでした。 この動作は、以前の作品 10、11、31、32、34、35、36、37 とよく一致しています。 0 R サンプルの CTE (100 ～ 1400 °C) 値が 0.061 * 10-6 K-1 という最高値を示し、続いて 10 R 複合材料の CTE (100 ～ 1400 °C) 値が -2.34* であることがわかりました。 10-6 K-1 と最低値 - 8.52 * 10-6 K-1 は 40 R コンポジットによって記録されました。 そのため、アルミナへのルチルの添加は、熱膨張を減少させ、ひいては熱性能を高める上で特別かつ比類のない役割を果たすことが判明した。 さらに、表 3 から、調製した AT ベースの複合材料の熱膨張係数は、異なる出発材料および処理ルートから合成された他の AT ベースの材料と明らかに同等であることがわかります。

温度の関数としてのさまざまな A/AT 複合材料の LTE。

温度の関数としてのさまざまな A/AT 複合材料の CTE。

さらに、図 11 に示すように、すべてのルチル添加複合材料では冷却曲線も異なる挙動を示しました。焼結複合材料は、異なる熱膨張係数を有する複合材料の特徴である顕著なヒステリシス ループを示します。 ルチルの添加レベルが高くなると、ヒステリシスループは非常に大きくなりますが、ルチルの添加量が増加するにつれて、冷却曲線の膨張の転換点は連続的に高温側（約400℃から約700℃）にシフトします。 マイクロクラック密度の増加は、より多くの AT12 の形成と関連していることが証明されました。 実際、ヒステリシス ループのサイズは微細構造と亀裂の体積に大きく依存します。 粒度も重要な役割を果たします。 微小亀裂が再び開く温度は、冷却曲線の転換点で表されます13。 これらの温度以下では、膨張量は冷却されたサンプルに存在する微小亀裂の密度と相関していました。 それ以外の場合、加熱中の膨張挙動はこれらの微小亀裂によって制御されます13。 これは、AT の含有量が最も少なく、ルチル添加サンプルの中で最も小さい粒径を示す 10 R サンプルの冷却曲線で 400 °C から始まる小さな膨張を説明できます。 また、この膨張は、ルチルの添加量が増えることに伴う複合材料中の AT 相の増加に伴って増加することも観察されました。

いくつかの選択された A/AT 複合材料の加熱/冷却曲線は、形成されたヒステリシス ループのサイズが徐々に変化することを示しています。

反対に、単相アルミナサンプル (0 R) はそのようなヒステリシス領域を示しません (図 11)。この複合材料に微小亀裂がないことが、この挙動の理由です 10,11。 さらに、このサンプルはすべてのサンプルの中で最も粒子サイズが小さいです。

結論として、アルミナにルチルを添加すると、異なる A/AT 複合材料でアルミナとともに AT が形成され、アルミナの熱性能を高める効果的な方法であることがわかりました。 これは、熱膨張を低減することによって達成され、その結果、材料の耐熱衝撃性が向上します。 さらに、得られた複合材料は、100 ℃から 1400 ℃までの加熱中に分解することなく熱安定性を示します。

産業上の要求に応える新しい高温の先端材料を開発する試みとして、天然のクリーンな原料と低コストから高い熱的および機械的性能を備えたさまざまな Al2O3/Al2TiO5 複合材料が開発されました。 提案された複合材料は、焼成アルミナの固溶体反応から、そして初めてエジプトの黒砂から 1650 °C/2 時間の温度で抽出されたルチル鉱石から生成されました。 ルチルは、焼結性と熱機械応答を促進するために、異なる含有量 (0 ～ 40 wt%) でアルミナに添加されました。 ルチル含有量を増やすことにより、調和した微細構造と強化された機械的強度を備えた高密度複合材料が得られました。 10 wt% ルチルを含む複合材料は、3.6 g/cm3 の最高密度と、それぞれ 488.73 MPa と 106.19 MPa の最高の CCS 値と MOR 値を与えました。 特に、ルチルの添加は、得られる複合材料の熱特性と 1400 °C の高温までの熱安定性の促進に大きな効果をもたらします。 これは、熱膨張値を下げることで達成され、その結果、熱衝撃耐性が向上します。 Fe2O3、Al2O3、SiO2、ZrO2、MgOなどの安定剤をすでに含むルチル鉱石などのきれいな天然原料を使用することは、製造プロセスのコストを削減し、また、その特性を高める上で重要な役割を果たしたと結論付けることができます。準備された複合材料。 これが、高コストの精製出発原料の代わりにクリーンな原料の使用を奨励するという、この研究の背後にある主な動機でした。 したがって、焼結 Al2O3/Al2TiO5 複合材料は、高度な構造用途および熱用途に有望な高温材料と考えられます。

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耐火物およびセラミック材料部門 (RCMD)、中央冶金研究開発研究所 (CMRDI)、私書箱 87、ヘルワン、カイロ、11421、エジプト

Nothing Basics、ダイナ HA の基本、エマド MM エワイス

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転載と許可

Besisa、NHA、Besisa、DHA & Ewais、EMM クリーンなソースからの高温アルミナ/チタン酸アルミニウム セラミック複合材料の処理。 Sci Rep 12、5957 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-09670-3

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受信日: 2022 年 1 月 1 日

受理日: 2022 年 3 月 23 日

公開日: 2022 年 4 月 8 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-09670-3

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