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 25-79-00167
НазваниеРазработка технологии 3D печати огнеупорных материалов тонко- и грубозернистой структуры в системе SiC-Al2O3-SiO2 с применением вяжущих суспензий кварцевого стекла
Руководитель Шарафеев Шариф Мнирович, Кандидат технических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Томский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук , Томская обл
Конкурс №110 - Конкурс 2025 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными, приоритетного направления деятельности Российского научного фонда «Поддержка молодых ученых»
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-205 - Разработка новых конструкционных материалов и покрытий
Ключевые слова Огнеупоры, керамика, 3D печать, робокастинг, высококонцентрированные вяжущие суспензии, оксид кремния, оксид алюминия, карбид кремния, муллит, реология, спекание
Код ГРНТИ61.35.35
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Проект направлен на решение научно-прикладной проблемы, связанной с созданием новых огнеупоров, содержащих в качестве основной функциональной фазы SiC, полученных методом 3D печати, для применения в металлургии и керамической промышленности.
Применение 3D печати в производстве огнеупоров является перспективным направлением, поскольку позволяет отказаться от изготовления дорогостоящей формовочной оснастки. Это является критически важным аспектом при эффективном изготовлении мелкосерийной/единичной огнеупорной продукции, при создании прототипов. Высокопроизводительные методы 3D печати делают возможным производство относительно крупносерийных изделий.
Проект рассматривает экструзионную 3D печать методом робокастинга (Robocasting), отличающегося простой конструкцией принтера и возможностью получать как тонкие, так и относительно грубозернистые материалы (до 0,5 мм) на основе пластичных паст. Для печати SiC огнеупорных материалов в качестве пластификаторов выступают водные растворы полимеров или глинистые материалы, что приводит к повышенной усадке изделий при сушке, длительным режимам дебиндинга и снижению эксплуатационных характеристик материалов. В проекте предлагается решение данной проблемы за счет применения высококонцентрированных вяжущих суспензий (ВКВС) кварцевого стекла, которые характеризуются низкой воздушной и огневой усадкой, а также высокой текучестью при высоком (до 90 % мас.) содержании твердой фазы.
Использование ВКВС в технологии 3D печати позволяет значительно снизить усадку, снижает чувствительность сформованного полуфабриката к сушке, тем самым ускоряя производственный цикл, а также обеспечивает введение SiO2 в состав материалов на основе SiC, который может взаимодействовать с введенным в печатную массу тонкодисперсным Al2O3 с образованием муллита. Муллит является одной из предпочтительных связок в огнеупорах из SiC, обеспечивающих образование плотной структуры изделий. Планируемая научная новизна проекта заключается в установлении закономерностей формирования структуры SiC материалов, полученных методом 3D печати из паст на основе ВКВС кварцевого стекла с различным гранулометрическим составом наполнителя (SiC), соотношением SiC:Al2O3:SiO2 и переменной концентрацией минерализатора процесса муллитообразования – AlF3.
В литературе описаны способы получения SiC огнеупоров и керамики с использованием SiO2 и Al2O3 различной природы и гранулометрического состава преимущественно методом литья и прессования. Исследования в области 3D печати SiC материалов направлены на производство тонкозернистых материалов. Использование ВКВС с добавками тонкодисперсного Al2O3 в качестве основы для получения карбидокремниевых реакционно связанных материалов методом 3D печати рассматривается впервые.
Ранее выполненные исследования выявили, что на основе ВКВС возможно получение огнеупорных материалов Al2O3-SiO2 с применением добавки электрокорунда, пригодных для трехмерной печати и демонстрирующих свойства, сопоставимые с промышленно освоенными материалами аналогичного химического состава. Изготовление огнеупоров и керамики на основе SiC методом робокастинга с применением ВКВС, обладающих пластическими свойствами и характеризующихся небольшой усадкой при сушке и обжиге, потенциально позволит получать изделия относительно сложной геометрической формы (сопла леток, чехлы для термопар, капсели, тигли и т.д.) с высокой степенью стабильности геометрических размеров при их спекании и последующей эксплуатации при высоких температурах. Склонность материалов на основе ВКВС к быстрому твердению ускорит процесс печати, что позволит значительно увеличить скорость производства данных огнеупоров.
Исследования в рамках проекта будут направлены на изучение реологических свойств материалов для печати на основе ВКВС с добавкой тонкодисперсного Al2O3 и AlF3 и основным наполнителем SiC различной степени дисперсности, а также на разработку и модификацию печатающей гарнитуры, подходящей для печати грубозернистыми составами.
Ожидаемые результаты
Основные ожидаемые результаты:
1) Разработка критериев выбора компонентного состава материалов (водорастворимые полимерные добавки, ВКВС кварцевого стекла, тонкодисперсные порошки оксида и фторида алюминия, порошки карбида кремния), пригодных для экструзионной 3D печати, на основе комплекса реологических характеристик: модели течения, предел текучести, индекс тиксотропии, вязкость, коэффициент сохранения формы.
2) Будут определены компонентные составы карбидокремниевых материалов, обеспечивающих наиболее оптимальное сочетание свойств и характеристик, обуславливающих их эффективное использование в качестве огнеупорной оснастки и высокотемпературных конструкционных изделий: предел прочности при сжатии и изгибе при нормальных условиях, микротвердость, теплопроводность, стойкость к окислению, пористость, кажущаяся плотность.
3) Будут обоснованы оптимальные технологические параметры печати (скорость печати, ускорения, отношение толщины слоев к диаметру сопла, параметры тепловоздушной обработки) и последующей термообработки (температура, выдержка при дебиндинге и обжиге), позволяющие достичь наиболее высокие физико-механические показатели материалов.
4) Будет спроектирована и сконструирована печатающая гарнитура с блоком тепловоздушной обработки, позволяющая производить 3D печать методом шнековой экструзии материалов, содержащих грубозернистые массы с размером наполнителя до 0,5 мм.
В результате выполнения проекта будут получены новые данные о влиянии компонентного и гранулометрического составов пластичных материалов, содержащих ВКВС и воднополимерные добавки, на реологические свойства и способность карбидокремниевых материалов к экструзионной 3D печати. Будут проведены исследования по изучению формирования микроструктуры реакционно связанных карбидокремниевых материалов грубозернистой и тонкозернистой структуры при их обжиге вследствие образования муллита in situ из SiO2 и Al2O3 при минерализующем действии AlF3.
Полученные результаты позволят упростить внедрение аддитивных технологий на существующих огнеупорных и керамических производствах, что позволит предприятиям увеличить степень автоматизации производственных процессов, а также обеспечит гибкость при производстве мелкосерийной продукции или при разработке прототипов.
Исследования и разработки в области 3D печати керамики являются общемировым трендом, при этом за последние 2-3 года отдельными научными коллективами активно развивается направление по печати грубозернистых огнеупорных материалов, что выражается в росте числа публикаций по данной теме. Карбидокремниевые огнеупоры на муллитовой (в общем случае – на кремнеземистой или алюмосиликатной) связке при этом являются перспективными материалами для применения в составе различных теплотехнических агрегатов и устройств металлургических и керамических производств за счет высоких прочностных свойств, стабильности фазового состава и размеров в процессе службы в широком диапазоне температур, а также за счет более высокой стойкости к окислению по сравнению с углеродсодержащими материалами.