타이타늄 내화 알루미늄 소개

알루미늄 티타네이트 세라믹

1. 티타늄산 알루미늄 내화물의 구조와 특성에 대한 첨가제의 영향:

티타늄 티타네이트 내화 알루미늄
장점: 높은 융점, 낮은 팽창 등
단점: 강도가 낮고 분해되기 쉬우며 소결이 어렵습니다.

티타늄산 알루미늄 내화물의 낮은 팽창은 미세 균열을 기반으로 하며, 과도한 미세 균열은 필연적으로 낮은 강도로 이어질 수밖에 없습니다. 재료의 낮은 팽창을 유지하면서 상당한 강도를 가지려면 균열의 크기와 수를 일정한 적절한 범위 내에서 제어해야 합니다. 이를 위해 Al2TiO5의 고유 열팽창 계수를 낮추고 이방성을 줄이며 입자 도메인 크기를 제어해야 합니다. 첨가제를 도입하면 입자 크기의 성장을 효과적으로 억제하고 알루미늄 티타네이트 재료의 특성을 변경할 수 있습니다.

MgO는 티타네이트 알루미늄 내화물 제조에 가장 일반적으로 사용되는 첨가제입니다. MgO는 Al2TiO5에서 Al2O3를 용해하여 대체하고 Al2TiO5의 격자 상수를 증가시킵니다.

첨가된 MgO의 양과 Al2TiO5의 격자 상수 사이의 관계 곡선에 따르면, Al2TiO5에서 MgO의 고체 용해도 한계는 25%(질량 분율)입니다. 과량의 MgO는 대체된 Al2O3와 반응하여 스피넬을 형성합니다.

이 물질과 대체된 알루미늄 산화물은 입자 경계에 존재하여 Al2TiO5 입자의 성장을 방해하고 도메인 구조를 약화시키며 입자 경계 균열을 줄이고 재료 소결을 촉진하며 합성 재료의 강화를 촉진합니다. Al2TiO5의 경우 산화마그네슘도 좋은 안정제입니다. 5%(질량 분율) MgO는 Al2TiO5를 분해 없이 1100℃, 9시간 열처리할 수 있습니다.

적절한 양의 MgO는 알루미늄 티타네이트 도자기의 열 분해를 부분적으로 또는 완전히 제어 할 수있을뿐만 아니라 도자기의 기계적 특성을 향상시킬 수 있으며 도자기의 다른 우수한 열 특성에는 거의 영향을 미치지 않습니다. 산화 마그네슘을 첨가하면 재료의 열팽창 계수가 약간 증가하지만 여전히 다른 재료보다 낮습니다.

Fe2O3는 최고의 첨가제 중 하나로 간주됩니다. Fe2O3를 첨가제로 사용하면 약 1100℃에서 TiO2와 반응하여 Fe2TiO5를 형성하고, 1350℃ 이상에서 Al2TiO5와 반응하여 고용체를 형성할 수 있습니다. Fe2O3의 존재는 알루미늄 티타네이트 형성의 촉매 역할을하고 알루미늄 티타네이트 형성을 가속화하며 합성 온도를 낮출 수 있습니다.

합성 Al2TiO5 분말을 원료로 사용하여 알루미늄 티타네이트 세라믹을 제조하는 과정에서 ZrO2를 도입하면 재료의 구조와 성능을 크게 향상시킬 수 있습니다. ZrO2를 첨가하면 알루미늄 티타네이트 내화 재료의 강도를 높이는 동시에 알루미늄 티타네이트의 우수한 열적 특성에는 거의 영향을 미치지 않습니다.

하나는 Al2O3의 일부와 반응하여 보강용 멀라이트를 형성하는 것이고, 다른 하나는 알루미늄 티타네이트에서 A3의 일부를 대체하여 다음 형태의 고용체를 형성하고 공극을 생성하여 800-1300°C의 온도 범위를 통해 냉각하는 동안 알루미늄 티타네이트의 분해를 억제하여 알루미늄 티타늄산염의 안정화 및 함량 증가라는 목적을 달성하는 것입니다.

2. 알루미늄 티타네이트의 구조와 특성에 대한 공정 조건의 영향:

1952년 초, Lang 등은 Al2TiO5의 열분해에 대해 보고했습니다. 그는 이 화합물은 1820-1860℃ 고온형, 1300-1820℃ 및 실온-800℃ 저온형의 두 가지 결정 형태를 가지며 800-1300℃에서 불안정하고 쉽게 루틸과 커런덤으로 분해된다는 점을 지적했습니다.

1971년 바이엘 등은 Al2TiO5의 열 불안정성은 온도뿐만 아니라 재료의 입자 크기 및 순도와도 관련이 있다고 지적했습니다. 나중에 카토, 카메야마 등은 Al2TiO5의 분해 반응을 추가로 연구하여 반응이 핵 형성 및 성장 과정이며 반응 속도는 다음 요인에 의해 영향을 받는다는 결론을 내렸습니다.

카토는 1120℃에서 합성 Al2TiO5 분말을 볼 밀링하여 얻은 다양한 입도의 분말을 여러 시간 동안 열처리한 결과 분말이 미세할수록 분해가 더 쉽다는 사실을 발견했습니다.

그러나 열분해 실험 전 다양한 입도의 분말을 1310℃에서 5시간 동안 열처리하면 다양한 분말의 분해 속도가 감소하고, 분말이 미세할수록 분해가 어렵다는 것을 알 수 있었습니다.

카토는 이 현상을 분쇄와 열처리가 결정 구조에 미치는 영향, 즉 전처리 전 분말이 미세할수록 내부와 표면에 결함이 많아지고 분해 반응이 핵 생성에 용이해져 더 강해지기 때문이라고 설명했습니다;

전처리 과정에서 미세 결정의 열처리 공정으로 인해 이온이 재배열되기 쉬워 결정 결함을 줄이고 내부 응력을 줄여 분해 반응의 활성 지점을 최대한 많이 제거하여 이때 분해 반응 속도가 감소합니다.

티타늄산 알루미늄 내화 재료의 미세 균열 정도는 입자 크기에 따라 크게 달라집니다. 자발적으로 미세 균열을 형성할 수 있는 임계 입자 크기가 있습니다. 입자 크기가 임계 크기보다 크면 입자 경계에서 미세 균열이 자발적으로 형성되며 입자 크기는 소성 온도와 관련이 있습니다.

소성 온도가 낮으면 임계 입자 크기가 커지고 미세 균열이 상대적으로 적고, 소성 온도가 높으면 임계 입자 크기가 낮아지고 입자가 커지며 미세 균열이 형성될 가능성이 높아져 기계적 강도가 감소하고 열팽창 계수가 작아집니다.

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