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

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。。

10 wt%) until achieved CCS and MOR values of 219.8 MPa and 63.8 MPa, respectively for 40 R composite. Increasing the mechanical strength for composite with 10 wt% rutile may be explained by reducing the number or size of pores during the bonding of alumina and AT grains via the formed liquid phase and solid solution reaction10,11. While the reduction in the mechanical strength values associated with the excessive addition of rutile (20–40 wt%) may be owing to the formed phases in each batch according to the XRD data in Fig. 2. At lower levels of rutile, the main phase was Al2O3. However, insertion of more rutile, makes Al2TiO5 the major phase. In which Al2O3 is denser and has higher mechanical strength. Additionally, this behavior can be attributed to the abnormal grains growth of AT grains attached to increasing its content and the higher porosity levels of these composites. This in turn led to initiation of microcracks formation, which increases with further addition of rutile (as shown in Figs. 5 and 6) and subsequently result in lowering the mechanical strength. Moreover, it can be noticed that the mechanical strength of the obtained samples in this work is significantly greater than those reported in the literature for AT synthesized from pure oxides with further modification by various additives employing several preparation methods (see Table 3 for some comparison)./p>