Введение

Оксид алюминия — один из перспективных керамических материалов для эксплуатации в напряженных условиях, благодаря сочетанию высокой твердости, термостойкости, химической инертности и экономической доступности. Чистая спеченная корундовая керамика устойчива к жесткой радиации, расплавам таких металлов как магний, алюминий, хром, кобальт, никель и олово, а также до температуры 800 °С – к расплавам щелочных металлов, в том числе в смеси со свинцом. Однако, одной из причин, сдерживающих широкое применение керамических и композитных материалов, является отсутствие эффективных технологий производства керамик [1]. Традиционные методы изготовления пористой керамики [2], как и   самораспространяющийся высокотемпературный синтез [3] формируют структуру с изотропным стохастическим распределением пористости и величины пор [4].  Применение же плазменного напыления позволяет сформировать градиентную канальную пористость.

Экспериментальная часть

Основы технологии получения плазмокерамических корундовых изделий с пористыми проницаемыми стенками разработаны специалистами АО «УРАЛИНТЕХ» [5]. Для изготовления корундовых изделий с канальной пористостью используется плазмотрон ПНК-50 конструкции ИТПМ СО РАН (г. Новосибирск) [6], плазмообразующий газ – воздух, режим истечения плазмы – ламинарный.

Практический опыт изготовления объемных керамических изделий методом плазменного напыления, показал, что элементы  изделий, напыляемые под острыми углами, имеют пористую структуру (рис.1). Таким образом, изменение угла напыления приводит к изменению открытой пористости и проницаемости напыляемых изделий в широких пределах [7].

Еще одним  важным параметром процесса напыления является сила тока плазмы, от которой зависит степень расплавления и перегрева напыляемых частиц.  Учитывая, с одной стороны, рекомендации разработчиков плазмотрона ПНК-50, с другой нелинейный характер зависимости  получаемой пористости от силы тока плазмы экспериментально определяются оптимальные значения тока, и следовательно, мощности плазменной струи [7].

В процессе отработки технологии изготовления пористых изделий использовались стандартные гостированные методики определения кажущейся плотности, газопроницаемости, открытой пористости и др.  Для проведения оперативной экспресс-оценки,  сохраняющей целостность изделия, предложена методика определения водопроницаемости пористых диафрагм, заключающаяся в определении удельной проницаемости стенки, протекающим флюидом в единицу времени, через единицу площади под действием гидростатического давления столба жидкости постоянной высоты:

П = Q / S,

где:  П — удельная водопроницаемость; Q – расход воды в режиме ламинарного течения; S — площадь рабочей поверхности.²

Проницаемость позволяет косвенно оценить средний диаметр поровых каналов пор в предположении их прямолинейности и ламинарного течения [8].

Результаты

В процессе выполнения целого ряда НИР, технология была доработана и усовершенствована, внедрена в производство и апробирована при выполнении заказов на изготовление керамических корундовых изделий с пористыми проницаемыми стенками в виде тиглей, диафрагм (рис.2), фильтров и труб, диметром от 20 — 30 до 350 мм, высотой от 20 до 1000 мм, с толщиной стенок от 2 — 3 до 12 мм и удельной проницаемостью от 0,01 до 30 г·мин/см² и более.

Разработаны, созданы и прошли промышленные испытания:

• Электролизеры для электрохимического рафинирования цветных металлов в расплавах солей, где взамен ионообменных мембран применяли корундовые мембраны с канальной пористостью, в форме тигля высотой один метр и диаметром 234 мм, толщиной стенки 12 мм. Дно и верхняя монтажная часть выполнены из плотной корундовой плазмокерамики. Размеры пор мембранного слоя 10—30 мкм.  Это позволило на порядок снизить энергоемкость процесса при экономии электролита [9].
• Электролизеры для электрохимического окисления церия в нитратных растворах при переработке редкоземельных концентратов. Использование корундовой плазмокерамической диафрагмы с градиентной канальной пористостью обеспечило высокую скорость окисления церия, высокий выход по току до 90 %, выход по веществу до 99,0 %, при оптимальном удельном расходе электроэнергии менее 1,5 квтч на кг. Диафрагма — труба высотой 700 мм, диаметром 364 мм и толщиной стенки 7±1мм. Торцы трубы на высоте до 20 мм выполнены плотными и подвергались механической обработке для обеспечения герметичности узлов стыковки с днищем и крышкой электролизной установки.
• Патронный мембранный фильтр для очистки расплава в установке разделения хлоридов циркония и гафния от нерастворимых примесей при производстве циркониевой губки. Высота фильтра около 150 мм, диаметра рабочей части 50 мм, толщина стенки 3,5 мм, размеры каналов мембранного слоя  10-20 мкм.
• Новые перспективные теплозащитные конструкции, испытывающие умеренные ударные нагрузки [10], использующие свойство керамики снижать теплопроводность при повышении пористости [11] с одновременным переходом к «вязкому» разрушению.

Заключение

Изделия из оксидной плазмокерамики с градиентной пористостью, перспективны как теплозащитные конструкции, испытывающие термомеханические нагрузки, как фильтры для очистки горячих газов, агрессивных жидкостей и расплавленных солей; при создании каталитических реакторов, где керамика является идеальным химически инертным носителем, допускающим интенсивную регенерацию.

Рисунок 1. Типичный вид плазмокерамических образцов с канальной пористостью

Рисунок 2. Модификации проницаемых дифрагм с канальной пористостью