Синтез и роботизированное производство ксерогеля YAG: одно

Dec 27, 2023

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 8454 (2022) Цитировать эту статью

915 Доступов

10 Альтметрика

Подробности о метриках

Был реализован оптимизированный золь-гель протокол для получения ксерогеля иттрий-алюминиевого граната (ИАГ) из алкоксида алюминия и соли иттрия в полупилотном масштабе. Этот ксерогель успешно использовался без предварительного пиролиза в качестве твердой загрузки с помощью добавок при приготовлении паст. Термическая обработка сырцов, полученных путем роботизированного литья пасты, привела к получению когезионной однофазной YAG-керамики. Производство керамических изделий аддитивными методами позволит придавать сложные формы, а одностадийное преобразование/консолидация упростит технологический процесс, снизив глобальные энергетические затраты. Поскольку YAG обладает высокой прочностью и хорошей ползучестью при высоких температурах, эти огнеупорные детали могут заменить металлические сплавы, используемые в лопатках турбин для исследования дальнего космоса. Структурные, термические и химические характеристики выполнены на порошках ксерогелей, пастах и ​​YAG-керамике.

Французское космическое агентство (CNES) провело исследования и разработки в области оксидной керамики с целью улучшения конструкции важнейших подсистем космического движения. Максимально допустимая температура турбины, обусловленная сопротивлением металлических сплавов, представляет собой ограничение производительности для циклов жидкостных ракетных двигателей. Внедрение оксидной керамики в детали статора/ротора турбины может стать многообещающим решением для повышения температуры цикла и соответствующего повышения производительности. С точки зрения долговечности, устойчивая к ползучести керамика станет ключевой технологией для разработки бортовых систем производства энергии для исследования дальнего космоса1. Для этой цели был выбран иттрий-алюминиевый гранат (YAG, Y3Al5O12). Помимо того, что он известен как основной материал лазерного усиления2,3,4 для твердотельных лазеров5, он также может использоваться из-за его механических характеристик. Действительно, он обладает интересными механическими свойствами при высоких температурах6 благодаря своей высокой прочности, хорошей ползучести при высоких температурах (> 1000 °C), хорошей физической и химической стабильности, низкой теплопроводности и хорошей стойкости к коррозии водяного пара7. Он также используется в окислительных средах для термобарьерных покрытий8 или в приложениях, требующих длительного удержания9.

Среди всех известных протоколов приготовления YAG, включая твердотельный10,11, золь-гель-синтез оказался хорошим методом приготовления однофазного YAG, поскольку гомогенное смешивание прекурсоров в золь-гель-методе гарантирует химическое однородность продукта и более низкая температура обработки12. Например, следуя этому процессу, Gowda13 приготовил гели ацетата три-втор-бутоксида иттрия и алюминия, которые кристаллизовались в YAG при термической обработке при температуре от 800 до 1400 °C. Кроме того, Маналерт и Рахаман14 получили аморфный ИАГ из смеси три-втор-бутоксида алюминия и гидрата ацетата иттрия золь-гель-методом и сверхкритической сушкой с экстракцией CO2. Наконец, Синглард и др.15 разработали золь-гель синтез однофазного ИАГ из три-втор-бутоксида алюминия и безводного хлорида иттрия и последующую термообработку.

В любом случае эти порошки необходимо производить и формовать, сохраняя при этом их свойства керамики. В настоящее время благодаря дешевизне и простоте использования экструзия является одной из наиболее широко используемых технологий прямого формования керамики16,17. Что касается производства YAG, то в литературе можно найти лишь несколько примеров, а именно 3D-печать с использованием смешанной порошковой водной суспензии18 и прямое 3D-печать наночастиц YAG чернилами19. Однако большая часть этих инноваций относится к области оптики, где ИАГ легирован редкоземельными металлическими элементами и желаемые свойства связаны с показателем преломления17, фотолюминесценцией20 и т. д., а с экструзией ксерогеля ничего не происходит.