АО «Обнинское научно-производственное предприятие «Технология» имени А. Г. Ромашина», Обнинск, Россия:

Е. А. Кораблева, ведущий инженер-технолог, канд. техн. наук, эл. почта: korablea61@mail.ru
Д. В. Харитонов, заместитель директора НПК по производственной деятельности, докт. техн. наук

Российский химико-технологический университет имени Д. И. Менделеева, Москва, Россия:
Д. О. Лемешев, декан факультета технологии неорганических веществ и высокотемпературных материалов, канд. техн. наук, доцент
Д. Ю. Жуков, директор технологического центра «Экохимпроект», канд. техн. наук, доцент

Представлен обзор по синтезу наноструктурных керамических материалов, выдерживающих термический удар при погружении в расплавы сталей и работающих в качестве твер дых электролитов. Рассмотрена возможность получения термостойкой плотной керамики из порошковой системы на основе ZrO₂ – MgO, ZrO₂ – Y₂O₃ с контролируемой структурой частиц для изготовления твердых электролитов датчиков окисленности сталей при применении в контакте с их расплавами. Представлены способ получения наноструктурной керамики системы ZrO₂ – MgO с повышенным значением термостойкости из нанокристаллических порошков и результаты изучения свойств чувствительных элементов. Подробно рассмотрены аспекты получения керамики на основе диоксида циркония со структурой, которая позволяет изделиям работать в условиях высоких температур и в расплавах сталей. Показано, что создание в структуре этого материала нанокристаллических включений придает ему термостойкость и проводящие свойства при погружении в расплав сталей при температурах 1550–1800 ^oC. Представлены результаты исследования технологических параметров получения чувствительных элементов с оптимальной термостойкой структурой. Приведены результаты испытаний чувствительных элементов с твердыми электролитами разных составов в условиях промышленной эксплуатации. Наилучшие эксплуатационные характеристики (время выхода на стабильные показания, ЭДС после погружения в расплав, разброс в пределах площадки стабильных показаний в высокораскисленных сталях) имеет чувствительный элемент состава ZrO₂ + 2,0 % (мас.) MgO, изготовленный из порошков, синтезированных методом осаждения, структура которого содержит большое количество эллипсоидных выделений тетрагональной фазы.

Исследования проведены с использованием оборудования Центра коллективного пользования имени Д. И. Менделеева в рамках проекта № 075-15-2021-688.

1. Зинковский И. В., Игнатов А. Л., Кромм В. В. и др. Использование кислородных зондов Celox при внепечной обработке стали // Электрометаллургия. 2007. № 5. С. 4–8.
2. Сидоров В. В., Петров Д. Н., Косенков О. М., Горюнов А. В. Методика экспресс-контроля определения содержания кислорода по ходу вакуумной индукционной плавки в расплавах жаропрочных никелевых сплавов с применением специальных кислородных зондов // Труды ВИАМ. 2018. № 2. DOI: 10.18577/23w07-6046-2018-0-2-2-2.
3. Жигачев А. О., Головин Ю. А., Умрихин А. В., Коренков В. В. и др. Высокотехнологичная наноструктурная
керамика на основе диоксида циркония. Мир материалов и технологий. — 2-е изд., дополн. и исправ. — М. : Техносфера, 2020. С. 340–370.
4. Промахов В. В., Жуков И. А., Ворожцов С. А. и др. Термостойкие керамические композиты на основе диоксида циркония // Новые огнеупоры. 2015. № 11. С. 39–44.
5. Дмитриевский А. А., Жигачев А. А., Жигачева Д. Г., Тюрин А. И. Структура и механические свойства композиционной керамики CaO – ZrO₂ – Al₂O₃ при малых концентрациях корунда // Журнал технической физики. 2019. Т. 89, № 1. С. 107–111.
6. Soylemez B., Sener E., Yurdakul A., Yurdakul H. Fracture toughness enhancement of yttria-stabilized tetragonal zirconia polycrystalline ceramics through magnesia-partially stabilized zirconia addition // J. Sci. Adv. Mater. Devices. 2020. No. 5. P. 527–534.
7. Кораблева Е. А., Харитонов Д. В., Анашкина А. А., Лемешев Д. О. Особенности создания термостойких наноструктурированных керамических материалов в системе ZrO₂ – MgO // Цветные металлы. 2019. № 10. С. 61–66. DOI: 10.17580/tsm.2019.10.10.
8. Кораблева Е. А., Харитонов Д. В., Лемешев Д. О., Пылинина А. И. Возможность получения термостойких структур в керамике на основе ZrO₂ // Черные металлы. 2020. № 10. С. 54–59.
9. Буяков А. С., Зенкина Ю. А., Буякова С. П., Кульков С. Н. Фрактальная размерность поверхности разрушения пористого ZrO₂ – MgO композита // Неорганические материалы. 2020. Т. 11, № 5. С. 1253–1259.
10. Schwarzer E., Scheithauer U., Brosche M., Richter H.-J., Moritz T. Deep drawing of ceramic green tapes – a promising technology for producing new lightweight non-planar kiln furniture // J. Ceram. Sci. Tech. 2017. Vol. 8. P. 169–176. DOI: 10.4416/JCST2016-00106.
11. Saenko I., Fabrichnaya O. Phase relations in the ZrO₂ – MgO – FeO_x system: experimental data and assessment of thermodynamic parameters // Journal of Phase Equilibria and Diffusion. 2021. Vol. 42. DOI: 10.1007/s11669-021-00876-y.
12. Майзик М. А., Харитонов Д. В., Лемешев Д. О., Жуков Д. Ю. Керамика на основе ZrO₂ для высокотемпературных применений // Черные металлы. 2020. № 10. С. 50–53.
13. Mythili Prakasam, Sorina Valsan, Yiying Lu, Félix Balima et al. Nanostructuredpure and doped zirconia : syntheses and sintering for SOFC and optical applications // Sintering Technology – Method and Application. IntechOpen Limited. 2018. P. 85–105. DOI: 10.5772/intechopen.81323.
14. Glymond D., Vick M., Giuliani F., Vandiver L. Hightemperature fracture toughness of mullite with monoclinic zirconia // Journal of the American Ceramic Society. 2017. Vol. 100, No. 4. P. 1570–1577.