Разработка и создание огнеупорных керамических изделий на основе высококонцентрированных вяжущих суспензий методом 3D- печати

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-29-00471

НазваниеРазработка и создание огнеупорных керамических изделий на основе высококонцентрированных вяжущих суспензий методом 3D- печати

Руководитель Казьмина Ольга Викторовна, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" , Томская обл

Конкурс №78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-205 - Разработка новых конструкционных материалов и покрытий

Ключевые слова 3D- печать, огнеупоры, керамика, высококонцентрированные вяжущие суспензии, печатающая гарнитура, экструзия

Код ГРНТИ61.35.29

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на решение прикладной научной проблемы, связанной с разработкой и созданием новых материалов и конструкций печатающей гарнитуры 3D-принтера для получения огнеупорных изделий различной формы, применяемых при производстве технической керамики. Изготовление огнеупорной оснастки сложной геометрии (сопла, втулки, камеры и др.) методом 3D-печати позволяет решить ряд проблем традиционных способов формования керамических изделий таких как значительные затраты на изготовление специальных форм, длительность производственного цикла, отсутствие гибкости и адаптированности производства к быстрому обновлению изделий. Это особенно актуально для проведения научных исследований, создания прототипов нового оборудования, а также для отечественного мелкосерийного и штучного производства. Проектом рассматривается 3D-печать, осуществляемая путем экструзии через формующее отверстие головки принтера. Этот метод DIW (Direct Ink Writing) хорошо зарекомендовал себя при изготовлении изделий тонкой, технической и строительной керамики относительно несложных форм. В тоже время существует проблема, связанная со сложностью создания печатных материалов. Материал должен одновременно сочетать требуемую пластичность, высокую концентрацию твердой фазы и скорость набора прочности печатаемого слоя. Большинство используемых при печати пластифицированных керамических масс характеризуются значительными усадочными явлениями при сушке и обжиге изделий, что ограничивает их применение для изготовления сложных огнеупорных изделий методом 3D-печати. В проекте данную проблему предлагается решать через использование высококонцентрированных вяжущих суспензий (ВКВС). В настоящее время технологии изделий на основе ВКВС основаны на применении методов литья и вибролитья. Использование ВКВС в качестве керамической массы для 3D-печати рассматривается впервые. Планируемая научная новизна заключается в установлении влияния фазового и гранулометрического составов ВКВС на свойства огнеупорных изделий, получаемых методом 3D-печати. Предварительные исследования покали, что суспензии с максимально высоким количеством кварцевого наполнителя (не менее 90 %) обладают пластичными свойствами и быстро отвердевают. Предполагается, что использование высококонцентрированных ВКВС с наполнителем различного вида (кварц, электрокорунд, муллит и др.) ускорит процесс твердения полуфабриката и снизит усадочные явления при сушке и обжиге до минимальных значений. Изготовление огнеупорных изделий методом DIW на основе ВКВС, обладающих пластическими свойствами и способными к быстрому твердению (по механизму вяжущих материалов), потенциально позволит получать изделия со сложными геометрическими элементами (купола, конусы с большим углом нависания и т.д.), которые не будут деформироваться во время сушки и обжига, что повысит их эксплуатационные характеристики. Исследования в рамках выполнения проекта направлены на изучение реологических свойств ВКВС на основе кварца с огнеупорными наполнителями (кварц, электрокорунд, шпинель, муллит), а также на разработку и создание печатающей гарнитуры, подходящей для 3D-печати полученными составами.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Шарафеев Ш.М., Казьмина О.В., Губанов А.В., Кутугин В.А., Полушин Г.В. Фазообразование при синтезе керамических и огнеупорных материалов на основе водных суспензий кварцевого стекла с наполнителями из шпинели, корунда и кварца ООО «Издательство «Лема», г. С-Петербург, Сборник тезисов докладов X Всероссийская конференция «Высокотемпературная химия оксидных систем и материалов», г. С-Петербург, 25-28 сентября 2023 г. – СПб.: ООО «Издательство «Лема», 2023. 235-236 с. (год публикации - 2023)

2. Шарафеев Ш.М., Казьмина О.В., Губанов А.В., Кутугин В.А., Полушин Г.В, Влияние частиц огнеупорных наполнителей на свойства керамических материалов, полученных на основе высококонцентрированных суспензий кварцевого стекла "Издательский дом "Спектр"", г. Москва (год публикации - 2024)

3. Шарафеев Ш.М., Казьмина О.В., Губанов А.В., Меженин А.В., Полушин Г.В., Кутугин В.А. Реологические характеристики высококонцентрированных суспензий на основе кварцевого стекла для 3D-печати огнеупорных изделий ООО «Функциональные наноматериалы», Functional nanomaterials Ltd. (год публикации - 2023)

4. Меженин А.В., Казьмина О.В. Исследование реологических характеристик суспензий на основе кварцевого стекла для их применения в 3 D- печати Перспективные материалы конструкционного и функционального назначения : сборник научных трудов Международной научно-технической молодежной конференции, г. Томск : Изд-во Томского политехнического университета, (год публикации - 2024)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
1) Для печати огнеупоров муллитокорундового состава методом DIW разработан состав печатной массы на основе высококонцентрированных вяжущих суспензий (ВКВС) кварцевого стекла с предельным содержанием оксида алюминия 65% мас. и общим содержанием твердой фазы 84,6 % мас. Разработанный материал характеризуется коэффициентом сохранения формы 90 %, отсутствием усадки после сушки и низкой усадкой (3 – 5 %) после обжига при температуре 1550 – 1600 оС. Материалы после обжига характеризуются прочностью при сжатии 37 МПа и прочностью при изгибе 22 МПа, а также не имеют дополнительной усадки после обжига вследствие микропористого строения. 2) Водные растворы ПЭГ и ГПМЦ с их массовым соотношением 10:1 обладают пластифицирующим действием в смесях с ВКВС при относительно небольшом их содержании (от 20 до 30 %), что позволяет достичь компромисса между реологическими свойствами чернил (пластичный характер течения по Бингаму-Шведову с пределом текучести порядка 150 Па и вязкостью 230 – 240 Па·с) и максимально достижимой концентрацией твердой фазы (порядка 85 % мас.) в материалах для печати. 3) Пригодными к печати являются материалы на основе ВКВС с пластической прочностью от 1 до 3 кПа и обладающие пластическим характером течения с пределом текучести не более 200 Па и вязкостью от 200 до 250 Па·с. Чернила с пластической прочностью от 1 до 1,5 кПа, могут быть использованы для печати изделий с минимальной толщиной слоя до 2,5 мм, при величине пластической прочности от 1,5 до 2,5 кПа минимальная толщина слоя при печати увеличивается до 3,5 мм. Регулирование реологических характеристик чернил производится за счет изменения соотношения ВКВС/пластификатор. 4) При обжиге максимально допустимая скорость нагрева изделий до температуры 185 °С составляет 50 °С/час, равномерное удаление органических компонентов из объема изделия происходит при изотермической выдержке при данной температуре в течение не менее 2 часов. Оптимальная температура обжига разработанных материалов составляет 1550 °С, поскольку при этом происходит наибольший выход муллита, который образуется in situ в результате взаимодействия корунда и кристобалита, а также связывание последнего в состав вязкой алюмосиликатной стеклофазы (количество ее по расчетам составляет порядка 5 – 8 %), что увеличивает прочность материалов. 5) Наиболее пригодной для печати разработанных материалов на основе ВКВС с огнеупорным наполнителем в виде корунда является печатающая головка поршневого типа. Оптимальные технологические параметры для 3D-печати изделий на основе ВКВС: - пластический характер течения материалов с пределом текучести от 145 до 150 Па и вязкостью от 200 до 250 Па·с; - наполнитель в виде электрокорунда с соотношением фракций 50 – 70 мкм и 1-3 мкм 9:1 по массе, вводимый в состав суспензии в количестве 65 % мас.; - пластифицирующая добавка к суспензии ВКВС, включающая в себя ПЭГ и ГПМЦ в соотношении 10:1; - использование сопел с диаметрами 2,5 и 3 мм, скорость экструзии составляет при этом 0,125 и 0,15 см3/с соответственно, установка запрета ретракта; - скорость движения печатного стола при печати – 15 мм/с, скорость холостого хода (travel speed) – 40 мм/с, допустимые ускорения – 1000 мм/с2, включение режима комбинга, печать производится от наружных слоев к внутренним; - отсутствие подогрева сопла и столика. Разрешение печати по высоте слоя определяется диаметром используемого сопла и для всех материалов оптимальной высотой слоя является 80 % от диаметра сопла. Скорость печати мало зависит от реологических характеристик материалов и ограничена скоростью 15 мм/с в силу потенциального увеличения вибраций при печати, разрушающих изделие.

Публикации

1. Ш.М. Шарафеев, О.В. Казьмина, В.А. Кутугин, А.В. Губанов, А.В. Меженин, Г.В. Полушин Исследование реологических свойств и экструзионной способности материалов на основе суспензий кварцевого стекла для 3 D- печати Томский политехнический университет. – Томск : Изд-во Томского политехнического университета, 2024., Изд-во Томского политехнического университета, в 2 томах, 2024 - 458 с.,том 1, С. 116-117 (год публикации - 2024)

2. Меженин А.В. 3D печать малоусадочных алюмосиликатных огнеупоров на основе вяжущей суспензии кварцевого стекла Томский политехнический университет. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2024 . - 399 с., сборник научных трудов Международной научно-технической молодежной конференции / под ред. С.П. Буяковой: Томский политехнический университет, - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2024. - 399 с. (год публикации - 2024)

3. Ш. Шарафеев, О. Казьмина, А. Губанов, В. Кутугин Properties of SiO2-Al2O3 refractories based on fused silica binder suspensions and investigation of their printability using the Direct Ink Writing method Ceramics International, Том 50, № 22, стр. 45497-45507 DOI: 10.1016/j.ceramint.2024.08.388 (год публикации - 2024)
10.1016/j.ceramint.2024.08.388

4. Шарафеев Ш.М., Казьмина О.В. Исследование процессов синтеза и спекания алюмосиликатных огнеупоров на основе высококонцентрированной вяжущей суспензии кварцевого стекла, полученных методом 3d-печати Изд-во КузГТУ им. Т.Ф. Горбачева, г. Кемерово (год публикации - 2024)

5. А.В. Меженин, Ш.М. Шарафеев, О.В. Казьмина, В.И. Верещагин Керамические материалы в системе MgO-Al2O3-SiO2 на основе суспензий кварцевого стекла с огнеупорными наполнителями Springer New York Consultants Bureau, Москва (год публикации - 2025)

6. ШАРАФЕЕВ Ш.М., КАЗЬМИНА О.В., ГУБАНОВ А.В., КУТУГИН В.А., ПОЛУШИН Г.В Influence of Refractory Fillers on the Properties of Ceramics Based on Highly Concentrated Silica Glass Suspensions Glass and Ceramics, Vol 81, N 1-2, p. 17-23 (год публикации - 2024)
10.1007/s10717-024-00652-7