Влияние борной кислоты на фазообразование в системе «гидроксид кальция - нанопорошок алюминия» in situ

Abstract

Актуальность. Диалюминат кальция CaAl4O7 представляет интерес как для строительной отрасли, так и для производства светодиодов и декоративных покрытий благодаря проявлению хороших люминесцентных свойств CaAl4O7 при легировании ионами редкоземельных и переходных металлов. Широкое распространение для синтеза алюминатов получил метод твердофазного синтеза в системах Ca(OH)2/CaCO3-Al2O3 с добавлением плавня на основе H3BO3. Переход от Al2O3 к металлическому Al в таких системах позволяет увеличить скорость реакции за счет дополнительного нагрева системы при окислении Al. Наноразмерные порошки Al также повышают реакционную способность системы из-за большой площади удельной поверхности. Однако добавление плавня к таким системам может оказывать как положительный (синтез в жидкой фазе), так и отрицательный (препятствие окислению Al) эффекты. Поэтому оценка влияния плавня на синтез алюминатов в системах с металлическим порошком алюминия требует отдельного исследования. Цель. Исследование влияния H3BO3 (плавня) на процессы фазообразования алюмината кальция в системе Ca(OH)2-Alнп. Методы. Рентгенофазовый анализ in situ с применением синхротронного излучения. Нагрев порошковых составов осуществлялся в атмосфере воздуха платиновым нагревателем в диапазоне температур 25-1350 °С со скоростью 30 °С/мин. Результаты и выводы. Борная кислота выступает ингибитором образования карбоната кальция (CaCO3) в температурном диапазоне 25-900 °С. Плавень также способствует снижению температуры формирования моноалюмината кальция (CaAl2O4) с 1149 до 1110 °С и диалюмината кальция (CaAl4O7) с 1330 до 1245-1260 °С. Установлено образование промежуточной фазы Ca3B2O6 в борсодержащей системе при температурах 680-900 °С, которая исчезает при завершении синтеза. Предложен механизм действия плавня, предполагающий улучшение контакта между твердыми фазами в жидком расплаве B2O3 и лучшей диффузии кислорода в промежуточной фазе Ca3B2O6. Полученные результаты имеют практическое значение для оптимизации синтеза люминесцентных материалов на основе алюминатов кальция и расчета исходного состава компонентов при использовании твердофазного метода синтеза

Relevance. Calcium dialuminate CaAl4O7 is of interest to both the construction industry and the production of LEDs and decorative coatings due to its excellent luminescent properties when doped with rare-earth and transition metal ions. Solid-phase synthesis in Ca(OH)2/CaCO3-Al2O3 systems with the addition of an H3BO3-based flux has become widely used for synthesizing aluminates. The transition from Al2O3 to metallic Al in such systems increases the reaction rate due to additional heating of the system during Al oxidation. Nanosized Al powders also increase the reactivity of the system due to their large specific surface area. However, the addition of a flux to such systems can have both a positive (liquid-phase synthesis) and a negative (hindrance to Al oxidation) effect. Therefore, assessing the effect of a flux on aluminate synthesis in systems with metallic aluminum powder requires separate study. Aim. To study H3BO3 (flux) effect on phase formation of calcium aluminate in the Ca(OH)2-Alnp system. Methods. Investigation in situ X-ray phase analysis using synchrotron radiation. Heating of powder compositions was carried out in an air atmosphere using a platinum heater in the temperature range of 25-1350°C at a rate of 30 °C/min. Results and conclusions. Boric acid acts as an inhibitor of calcium carbonate (CaCO3) formation in the temperature range of 25-900°C. The flux also helps to reduce the formation temperature of calcium monoaluminate (CaAl2O4) from 1149 to 1110°C and calcium dialuminate (CaAl4O7) from 1330 to 1245-1260°C. It was established that the intermediate phase Ca3B2O6 in the boron-containing system is formed at 680-900°C. This phase disappears upon completion of the synthesis. The authors proposed mechanism of action of the flux, suggesting improved contact between the solid phases in the liquid melt B2O3 and better diffusion of oxygen in the intermediate phase Ca3B2O6. The obtained results are of practical importance for optimizing the synthesis of luminescent materials based on calcium aluminates and calculating the initial composition of components using the solid-phase synthesis method