Przejdź do głównej treści

Widok zawartości stron Widok zawartości stron

Centrum SOLARIS

Widok zawartości stron Widok zawartości stron

Lista publikacji naukowych

Widok zawartości stron Widok zawartości stron

Hercynit (FeAl22O4) - tajemniczy spinel ogniotrwały poznany !

Hercynit (FeAl<sub>2</sub>2O<sub>4</sub>) - tajemniczy spinel ogniotrwały poznany !

Grupa naukowców z Akademii Górniczo-Hutniczej przeprowadziła badania na linii badawczej PIRX dotyczące spineli a w szczególności hercynitu, FeAl2O4, który należy do szerokiej grupy spineli tlenkowych, o gęstym upakowaniu atomów w kubicznej strukturze typu AB2O4. Badania zostały przeprowadzone w zespole badawczym pod kierownictwm dr inż. Ilony Jastrzębskiej z Wydziału Inżynierii Materiałowei i Ceramiki.

Spinel FeAl2O4 znajduje obecnie zastosowanie w produkcji materiałów ogniotrwałych oraz produkcji wodoru. Posiada wysoką temperaturę topienia 1800oC oraz niski współczynnik rozszerzalności cieplnej 0.9% do 1000oC. Wyróżnia go aktywność jonów w podwyższonych temperaturach, co w jednych zastosowaniach może być jego zaletą (zwiększenie elastyczności materiału) a w innych wadą. 


W przemyśle materiałów ogniotrwałych hercynit jest wykorzystywany jako alternatywny bezchromowy składnik materiałów ogniotrwałych przeznaczonych na wyłożenia pieców przemysłowych. W produkcji wodoru FeAl2O4 ma zastosowanie w procesie termicznego rozpadu cząsteczek wody. Co ciekawe efektywność FeAl2O4 w tym procesie jest nawet 12 razy wyższa niż tlenku ceru, Ce2O3. Pomimo istotnych i ciekawych zastosowań hercynitu jego właściwości wysokotemperaturowe nie są jednak dobrze rozpoznane. Wiedza na temat właściwości struktury tego spinelu może przynieść wiele korzyści dla ulepszenia obecnych jak i znalezienia nowych obszarów zastosowań dla tego niezwykle interesującego spinelu! W naszej wcześniejszej pracy na temat stabilności czystego hercynitu po raz pierwszy pokazaliśmy mechnim jego rozkładu w podwyższonych temperaturach 1000oC (DOI: 10.1127/ejm/2017/0029-2579). W tej pracy, stanowiącej rozwinięcie pracy wspomnianej wyżej, pokazujemy że struktura hercynitu jest „wrażliwa” na podstawienia przez inne jony i że można ją ustabilizować. 


Przeprowadziliśmy syntezę czystych i gęstych roztworów stałych hercynitu z użyciem techniki topienia materiałów w plazmie łukowej wytworzonej w atmosferze czystego Ar, w skonstruowanym przez nas piecu SpekoArc300 do otrzymywania różnych materiałów wysokotemperaturowych. Otrzymaliśmy szereg roztworów stałych hercynitu, w których atomy Fe zostały podstawione przez inne atomy pierwiastków metalicznych, w tym Mg i Mn. Następnie poddaliśmy otrzymane spinele badaniom stabilności wysokotemperaturowej in-situ do 1200oC w powietrzu z użyciem wysokotemperaturowej dyfraktometrii rentgenowskiej HTXRD. Dodatkowo, przeprowadziliśmy izotemiczne utlenianie spineli w 1200oC w atmosferze powietrza. Wygrzane próbki poddaliśmy badaniom z użyciem spektrum technik (w tym: XAS, XRD, spektroskopia Mossbauera, DTA/TG, SEM/EDS) aby określić zmiany jakie zaszły w próbce na skutek obróbki cieplnej z dostępem tlenu. Z użyciem techniki HTXRD wykazaliśmy, że nawet niewielkie podstawienie atomów Fe przez Mg (0.3 mola) w hercynicie ma niebagatelny wpływ na jego strukturę poprzez poprawę jej stabilności w wysokich temperaturach i zahamowanie jego rozkładu. Fe jest wiązane w strukturze magnezjoferrytu, a podczas przebudowy nie wydziela się Fe2O3, który jest niekorzystny z punktu widzenia materiałów ogniotrwałych gdyż wiążąc się ze składnikami materiałów, np. częstych zanieczyszczeń CaO, tworzy niskotopliwe fazy, które niekorzystnie wpływają na właściwości wysokotemperaturowe. Metoda XAS pozoliła nam potwierdzić tą stabilność poprzez określenie koordynacji i stopnia utlenienia jonów w strukturze spineli. Widmo abosrpcji promieni X wykonane na linii PEEM/XAS dla wygrzewanego izotermicznie w 1200oC Fe0.7Mg0.3Al2O3 pokrywa się z widmem dla niewygrzewanego FeAl2O4.

 

Zdjęcie 1. Plazma łukowa w przepływie argonu (Ar) wytworzona w piecu łukowym SpekoArc300

 

Zdjęcie 1. Plazma łukowa w przepływie argonu (Ar) wytworzona w piecu łukowym SpekoArc300

Dr Iwona Jastrzębska

Zdjęcie 2.  I. Jastrzębska Na zdjęciu od lewej: E. Partyka-Jankowska, E. Knapik, I.Jastrzębska

Zdjęcie 3. Od lewej: E. Partyka-Jankowska, E. Knapik, I. Jastrzębska 


Badania zostały wykonane w ramach grantu badawczego (LIDER/14/0086/L-12/20/NCBR/2021) finansowanego ze środków NCBR. 

Autor: Ilona Jastrzębska

Link do publikacji: I. Jastrzębska, J. Stępień, J. Żukrowski, Stabilization of hercynite structure at elevated temperatures by Mg substitution, Materials & Design, 235, 112449(2023) doi: 10.1016/j.matdes.2023.112449

Polecamy również
Wpływ implantacji jonów Ne<sup>+</sup> 250 keV na parametry krytyczne kompozytowych taśm 2G HTS

Wpływ implantacji jonów Ne+ 250 keV na parametry krytyczne kompozytowych taśm 2G HTS

Szczególna rola magnetycznych jonów Ni w strukturze elektronowej

Szczególna rola magnetycznych jonów Ni w strukturze elektronowej

Nowa metoda poprawy jakości danych przez usuwanie szumu

Nowa metoda poprawy jakości danych przez usuwanie szumu

Bezpośrednia obserwacja tekstury spinowej i efektu Rashby w ferroelektrycznym półprzewodniku

Bezpośrednia obserwacja tekstury spinowej i efektu Rashby w ferroelektrycznym półprzewodniku