Введение

В современных условиях роль огнеупорных материалов с комплексом ценных свойств, таких как термостойкость, высокая коррозионная устойчивость, механическая прочность и другие постоянно растет.

Известно, что эффективное применение огнеупорных материалов в технике высоких температур часто определяется их способностью противостоять воздействию термических нагружений не разрушаясь и сохраняя высокие показатели механических и теплофизических свойств.

В последнее время возрос интерес к получению огнеупоров с использованием титаната алюминия, соединения, уникального по своим свойствам.

Керамические материалы состава Al₂O₃ ТiО₂ (тиалит) не получили широкого распространения в странах СНГ, но очень интенсивно исследуются и применяются за рубежом в последние десятилетия. На их основе возник и развивается рынок материалов и изделий из термостойкой керамики для высоких и умеренных температур, на котором работают десятки и сотни фирм-производителей. Так, по данным компании «CERAM Researcy Ltd.» (Великобритания), тиалит применяется для изготовления тиглей, разливочных желобов, ковшей, изложниц, пробок при литье ряда металлов, в первую очередь алюминия, где обнаруживает большой срок службы, чем кварц и силикаты. Компания «Reade International Ltd.» (CША) поставляет помимо тиглей, сопел, труб и термопар для цветной металлургии футерованные патрубки для двигателей автомобилей, модельные формы для стекловаренной промышленности, термо- , коррозионно- и износостойкие покрытия для всех отраслей. Китайская фирма «Zoomber Advanced Materials» выпускает чехлы для термопар, тигли и трубки для литья алюминиевых сплавов, изложницы и фильтры для цветной металлургии.

Все эти и многие другие перспективные применения тиалита основаны на замечательном свойстве - близком к нулю коэффициенте термического расширения. Благодаря этому материал не испытывает термических напряжений при перепадах температур и способен выдержать сколь угодно сильные и многочисленные термоудары в пределах области своих рабочих температур. Эта особенность достигается за счет взаимной компенсации коэффициентов расширения оксидов титана и алюминия при стехиометрическом их соотношении, соответствующем формуле титаната алюминия Al₂ТiО₅.

Однако указанное достоинство превращается в недостаток в плане микроструктуры и механической прочности. Согласно исследованиям фазовых состояний в данной системе титаната алюминия устойчив только при температурах свыше 1280°С. При охлаждении после синтеза он подвергается эвтектоидному распаду на рутил и корунд, термические напряжения между образующимися кристаллами порождают своеобразную трещиноватую структуру, отличающуюся низкой прочностью при относительно высокой трещиностойкости и газопроницаемостью при относительно высокой кажущейся плотности. Термостойкости такая структура не теряет, так как термические напряжения компенсируются в ней на уровне индивидуальных кристаллов или даже целых блоков. Но прочность получаемых керамических материалов низка не только для конструкционных применений, но и для тиглей или футеровки.

В связи с этим уже более полувека ведутся интенсивные поиски способов упрочнения тиалита. Можно выделить три основных направления этих поисков: легирование, дисперсионное упрочнение и соединение с другими оксидными материалами.

Легирование оксидами многовалентных металлов, преимущественно иттрия, церия, лантана, с целью предотвращения распада высокотемпературной фазы б--Al₂Ti0₅ было одной из первых попыток создания монолитного, а следовательно, прочного материала. Так получали плотную, мелкозернистую и термостойкую до 1500 - 1600°С керамику. Однако существенно повысить прочность без снижения термостойкости тиалита в этом направлении не удалось.

Дальнейшие усилия были направлены на упрочнение тиалита инородными включениями -- монокристаллическими частицами, волокнами, трансформационными центрами и т. п. В этом направлении были достигнуты заметные успехи. Так, при упрочнении тиалита всего 2,5% ZrO₂ прочность материала повышается от 20 до 29 МПа. Еще более сильный эффект получается при введении пластинчатых частиц AI₂O₃: вязкость разрушения растет от 1 до 5 МПа*м¹/². Введение в синтезированный высококачественный порошок А1₂ТiO₅ «усов» SiC повышает прочность от 40 до 100 МПа. Тем не менее, не давая качественного перелома, подобные методы существенно повышают стоимость материалов, которая в упомянутых выше металлургических применениях играет далеко не последнюю роль.

Подавляющее большинство последних работ относится к попыткам соединения тиалита с другими, более прочными и доступными, материалами. Смысл этого подхода заключается в объединении высокой термостойкости тиалита с прочностью других материалов, пусть даже с некоторыми потерями в обоих свойствах [1].

Объектом исследования курсовой работы является система титанат алюминия - кордиерит (Al₂TiO₅ - 2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂). Кордиерит имеет низкую температуру плавления, и поэтому добавление его к титанату алюминия, возможно, улучшит спекаемость системы. Композиция титанат алюминия - кордиерит еще не достаточно изучена, хотя есть указания, что эти фазы сосуществуют. Необходимо это проверить, и получить хорошо спекаемую композицию с низким коэффициентом термического расширения (КТР).