Сотрудники Томского научного центра СО РАН разрабатывают оптимальные составы и технологию получения оксидонитритной керамики (сиалона) путем азотирования в режиме горения (методом СВС). Такие изделия широко востребованы в металлургической промышленности, с их помощью фильтруют расплавы металлов, улавливая различные включения. Исследования выполняются при поддержке РНФ (проект № 24-79-00117).

«Преимущества СВС-азотирования заключаются в его быстроте, простом оборудовании и энергоэффективности. Производить сиалон таким методом предложили ещё 30 лет назад, но долгое время методом СВС удавалось получать лишь бесформенные спеки керамики, требующие измельчения в порошки для последующего создания изделий на их основе. Поэтому сегодня нет сомнений в актуальности передовой технологии получения уже готовых к использованию в промышленности пористых керамических изделий, не нуждающихся в дополнительной механической или термической обработке», — рассказал руководитель проекта Антон Регер, научный сотрудник лаборатории новых металлургических процессов.

Первым этапом работы учёных в рамках проекта станет поиск оптимальных составов для получения в несколько стадий чистого сиалона, не содержащего посторонних примесей, который образуется в результате химических реакций между кремнием, алюминием, оксидом кремния и азотом.

Затем наступает черёд предварительного структурирования порошковой заготовки, который можно сравнить с лепкой из глины. Чтобы получить нужную структуру будущего изделия, формируется специальная жидкая масса — шликер. В его состав входит сиалоновая порошковая смесь, водно-щелочной раствор, необходимый для варьирования размера пор будущего изделия, а также придающее прочность жидкое стекло и фиброволокна, с помощью которых армируется пористый каркас заготовки.

В результате взаимодействия водно-щелочного раствора с исходной порошковой смесью, содержащей алюминий и кремний, одновременно выделяется газ, который формирует пористую структуру, и набирается запас прочности самой заготовки. В конечном итоге получается некий хрупкий «скелет», который требуется аккуратно извлечь из формы и просушить.

Следующий этап — СВС-азотирование в специальном реакторе: после прохождения волны горения при температуре от 1 600 до 1 800 ℃ «скелет»-заготовка превращается в готовое пористое изделие, обладающее необходимыми физико-химическими свойствами. Все пройдет «без сучка и без задоринки», если будут соблюдены два условия: оптимальный состав порошковой смеси и условия азотирования в режиме горения. В противном случае, говоря просто, сгорит «не по плану»: так как все процессы в СВС очень быстрые и протекают в агрессивных условиях, при которых происходит образование трещин и расплава.

Сначала в небольшом лабораторном реакторе будут получены образцы кубической формы размером 8 на 8 сантиметров, а затем в полупромышленном реакторе — образцы более крупного размера. Исследователям предстоит решить ещё одну важную задачу — научиться придавать пористую структуру изделиям, которая бывает двух типов — ячеистой и сотовой. Как пояснил руководитель проекта, особенности пористой структуры фильтра напрямую влияют на эффективность очистки расплавов металлов. Поэтому в ходе выполнения гранта учёные проведут аттестацию свойств полученных материалов и изучат влияние составов шликера на размер пор.

В настоящее время на металлургических предприятиях России нередко используются сиалоновые керамические пористые фильтры расплава, произведённые в странах Европы или в Японии. Как правило, их получают традиционными, достаточно дорогостоящими способами, которые требуют многодневной обработки изделий при очень высоких температурах.

Источник: ТНЦ СО РАН.