Presents the results of the synthesis of mullite-silica ceramics with improved electrophysical characteristics based on natural kaolinite raw materials extracted in the Orenburg region. The main attention is paid to the study of the effect of heat treatment and the degree of dispersion of the starting material on the formation of the phase composition. Methods of differential thermal analysis, modeling of thermal processes during firing, as well as X-ray phase analysis for phase identification were used for the analysis. It is shown that the choice of the optimal temperature regime and preliminary mechanical (grinding) and chemical (oxalic acid) activation make it possible to stabilize the mullite phase and reduce the maturation of residual silica. This ensures low dielectric losses in a wide frequency range, as well as increased heat resistance and thermal insulation properties of the material. The obtained samples not only meet, but also exceed the requirements of GOST 20419–83 in key parameters such as thermal conductivity and dielectric losses, which confirms their promise for use in electrical insulation structures and thermal barriers in the energy and mechanical engineering.
Anna G. Chetverikova – Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor, Dean of the Faculty of Physics, Orenburg State University, Orenburg, Russia
Valery N. Makarov – Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor of the Department of Physics and Methods of Teaching Physics, Orenburg State University, Orenburg, Russia
Aleksandr R. Sadykov – postgraduate student of the Department of Applied Mathematics, assistant of the Department of Physics and Methods of Teaching Physics, Orenburg State University, Orenburg, Russia
Olga N. Kanygina – Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Professor, Professor of the Department of Chemistry, Orenburg State University, Orenburg, Russia
Marina M. Filyak – Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Associate Professor of the Department of Industrial Electronics and Informing and Measuring Techniques, Orenburg State University, Orenburg, Russia
Andrey A. Smorokov – senior lecturer at the Department of Nuclear Fuel Cycle, Tomsk Polytechnic University, Tomsk, Russia
Aleksandr D. Trofimov – leading analyst, GC “Termo Techno”, Moscow, Russia
1. Zhang B., Ma J., Ye J., et. al. Ultra-low cost porous mullite ceramics with excellent dielectric properties and low thermal conductivity fabricated from kaolin for radome applications // Ceramics International. 2019. V. 45, No. 15. P. 18865 – 18870. DOI: 10.1016/j.ceramint.2019.06.120
2. Ковалев А. И., Вайнштейн Д. Л., Коновалов Е. П. и др. Термобарьерные и антифрикционные свойства трибокерамик на поверхности режущего инструмента с (TiAlCrSiY)N/(TiAlCr)N покрытием при высокоскоростном сухом резании // Металлург. 2024. № 7. С. 53 – 60. DOI: 10.52351/00260827_2024_7_53. URL: https://www.elibrary.ru/BNCAER
3. Максимов В. Г., Варрик Н. М. Синтез исходного порошка для получения муллитовой керамики, модифицированной диоксидом циркония // Огнеупоры и техническая керамика. 2021. № 5–6. С. 3 – 11. URL: https://www.elibrary.ru/KRVYRB
4. Щербакова Г. И., Сахаровская Г. Б. Основные достижения в синтезе керамообразующих элементо-органических олигомеров // Химическая промышленность сегодня. 2015. № 12. С. 40 – 55. URL: https://www.elibrary.ru/VKTFMR
5. Сулейманов Х., Гременок В. Ф., Станчик А. В. и др. Антиотражающее покрытие на основе муллита для кремниевых солнечных элементов // Журнал прикладной спектроскопии. 2024. Т. 91, № 6. С. 905 – 909. URL: https://www.elibrary.ru/RGIYIO
6. Понарядов А. В., Устюгов В. А., Котова Е. Л. Математический подход к изучению процесса синтеза муллита // Вестник института геологии Коми научного центра Уральского отделения РАН. 2022. № 11(335). С. 43 – 46. DOI: 10.19110/geov.2022.11.6. URL: https://www.elibrary.ru/HJYHBX
7. Котова О. Б., Устюгов В. А., Сан Ш. и др. Получение муллита: фазовые трансформации каолинита, термодинамика процесса // Записки Горного института. 2022. Т. 254. С. 129 – 135. DOI: 10.31897/PMI.2022.43. URL: https://www.elibrary.ru/HVUABB.
8. Biswal B., Mishra D. K., Das S. N., et al. Structural, micro-structural, optical and dielectric behavior of mullite ceramics // Ceramics International. 2021. V. 47, No. 22. P. 32252 – 32263. DOI: 10.1016/j.ceramint.2021.08.120
9. Четверикова А. Г., Макаров В. Н., Каныгина О. Н. и др. Коррекция структурной формулы каолинита Оренбургской области спектроскопическими методами // Конденсированные среды и межфазные границы. 2023. Т. 25, № 2. С. 277 – 291. DOI: 10.17308/kcmf.2023.25/11108. URL: https://www.elibrary.ru/ SOLDIM
10. Smorokov A. A., Kantaev A. S., Bryankin D. V., et al. A novel low-energy approach to leucoxene concentrate desiliconization by ammonium bifluoride solutions // Chemical Technology and Biotechnology. 2023. V. 98, Is. 3. P. 726 – 733. URL: https://doi.org/10.1002/jctb.7277
11. ГОСТ 7076–99. Материалы и изделия строительные. Метод определения теплопроводности и термического сопротивления при стационарном тепловом режиме. М., 2000. 13 с. (Разработан научно-исследовательским институтом строительной физики (НИИСФ) Российской Федерации. Введен Госстроем России).
12. Садыков А. Р., Четверикова А. Г., Макаров?В. Н. Моделирование температурного поля муллито-кремнеземистого образца с учетом данных дифференциально-термического, гравиметрического анализов и усадки / Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2024685431: заявитель федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Оренбургский государственный университет». URL: https://www.elibrary.ru/KBQUKS
13. ГОСТ 22372–77. Материалы диэлектрические. Методы определения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь в диапазоне частот от 100 до 5?106 Гц. М., 1978. 9 с. (Государственный комитет СССР по стандартам).
14. Gao X., Feng X., Zhang D., et. al. Synthesis of high?performance mullite ceramics based on associated rare?earth kaolin // International Journal of Applied Ceramic Technology. 2023. V. 20, No. 3. P. 1535 – 1546. DOI: 10.1111/ijac.14311
15. Ulfiati R., Dhaneswara D., Jaka F. F., et al. The effect of calcination temperature on metakaolin characteristic synthesized from badau belitung kaolin // Key Engineering Materials. 2020. V. 841. P. 312 – 316. DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.841.312
16. Escalera E., Antti M. L., Od?n M. The effect of calcination temperature on metakaolin characteristic synthesized from badau belitung kaolin // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. IOP Publishing, 2012. V. 31, No. 1. P. 012017. DOI: 10.1088/1757-899X/31/1/012017
17. Fricke H. H., Mattenklott M., Parlar H., et al. Method for the determination of quartz and cristobalite [Air Monitoring Methods, 2015] // The MAK?Collection for Occupational Health and Safety: Annual Thresholds and Classifications for the Workplace. 2002. V. 1, No. 1. P. 401 – 436. DOI: 10.1002/3527600418.am0sio2fste2015
18. Shackelford J. F., Doremus R. H. Ceramic and glass materials // Structure, Properties and Processing. 2008. P. 214.
19. Wondemagegnehu E. B., Addis T., Zereffa E. A., et al. Potential uses of local clay materials for the production of porcelain electrical insulators, Ethiopia // Clays and Clay Minerals. 2023. V. 71, No. 2. P. 207 – 228. DOI: 10.1007/s42860-023-00239-3
20. Яроцкая Е. Г., Федоров П. П. Муллит и его изоморфные замещения. Обзор // Конденсированные среды и межфазные границы. 2018. Т. 20, № 4. С. 537 – 544. URL: https://www.elibrary.ru/ YRRNHV
21. Montes J. M., de la Vi?a F. J., Agote ?., et al. Simulation of the electrical resistance sintering of Hardmetal powders // Metals and Materials International. 2021. V. 27. P. 352 – 364. URL: https://doi.org/10.1007/s12540-019-00409-w
22. Бабушкин В. И., Матвеев Г. М., Мчедлов-Петросян О. П. Термодинамика силикатов. 4-е изд. М.: Стройиздат, 1986. C. 406.
23. da Silva V. J., de Almeida E. P., Gon?alves W. P., et al. Mineralogical and dielectric properties of mullite and cordierite ceramics produced using wastes // Ceramics International. 2019. V. 45(4). P. 4692 – 4699. DOI: 10.1016/j.ceramint.2018.11.161
24. Halder K., Roy D., Das S. A comparative electrical study of nano-crystalline mullite with low dielectric loss due to incorporation of tungsten and molybdenum ion: their uses in electronic industries // Journal of Materials Science: Materials in Electronics. 2015. V. 26. P. 5803 – 5811.DOI: 10.1007/s10854-015-3139-4
25. Gao X., Feng X., Zhang D., et al. Synthesis of high?performance mullite ceramics based on associated rare?earth kaolin // International Journal of Applied Ceramic Technology. 2023. V. 20, No. 3. P. 1535 – 1546. DOI: 10.1111/ijac.14311
26. Филяк М. М., Четверикова А. Г., Каныгина О. Н. Диэлектрические свойства тонкодисперсных каолинитовых масс различной степени влажности // Стекло и керамика. 2021. № 11. С. 43 – 50. URL: https://www.elibrary.ru/PFSVXA[Filyak M. M., Chetverikova A. G., Kanygina O. N. Dielectric properties of finely disperse kaolinite masses with different humidification // Glass Ceram. 2022. V. 78, No. 11–12. P. 458 – 463. DOI: 10.1007/s10717-022-00431-2. URL: https://www.elibrary.ru/HWMZNY]
27. Павлов В. Ф. Физико-химические основы обжига изделий строительной керамики. М.: Стройиздат, 1977. Т. 270. С. 5.
28. ГОСТ 20419–83. Материалы керамические электротехнические. Классификация и технические требования. М., 1985. 38 с. (Разработан министерством электротехнической промышленности СССР. Введен постановлением государственного комитета по Стандартам).
The article can be purchased
electronic!
PDF format
700 руб
DOI: 10.14489/glc.2025.09.pp.037-047
Article type:
Research Article
Make a request
