vestiftИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series1561-83582524-244XThe Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8358-2025-70-4-271-284vestift-912Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ, МЕТАЛЛУРГИЯMATERIALS SCIENCES AND ENGINEERING, METALLURGYЗакономерности формирования структуры и свойств пористых композитов на основе базальтового волокна в процессе термоциклированияRegularities of formation of structure and properties of porous composites based on basalt fiber in the process of thermocyclinghttps://orcid.org/0009-0002-2709-1398ПетюшикЕ. Е.PetyushikE. E.

Петюшик Евгений Евгеньевич – доктор технических наук, профессор, заместитель  генерального директора по научной работе

ул. Платонова, 41, 220005, Минск 

Evgeny E. Petyushik – Dr. Sci. (Engineering), Professor, Deputy Director General for Research

41, Platonov St., 220005, Minsk 

Pet65@bk.ruhttps://orcid.org/0009-0007-2164-412XФомихинаИ. В.FomikhinaI. V.

Фомихина Ирина Викторовна – доктор технических наук, доцент, заведующий лабораторией металлофизики

ул. Платонова, 41, 220005, Минск 

Irina V. Fomikhina – Dr. Sci. (Engineering), Associate Professor, Head of the Laboratory of Metal Physics

41, Platonov St., 220005, Minsk 

ivfom@tut.byhttps://orcid.org/0000-0001-6930-1213ДробышА. А.DrobyshA. A.

Дробыш Алексей Анатольевич – кандидат технических наук, доцент, декан инженерно-педагогического факультета

пр. Независимости, 65, 220013, Минск 

Aleksey A. Drobysh – Cand. Sci. (Engineering), Associate Professor, Dean of the Faculty of Engineering and Pedagogy

65, Nezavisimosti Ave., 220013, Minsk 

ipf-ipo@bntu.byГосударственное научно-производственное объединение порошковой металлургии Национальной академии наук Беларуси, ул. ПлатоноваState Scientific and Production Association of Powder Metallurgy of the National Academy of Sciences of BelarusГосударственное научное учреждение «Институт порошковой металлургии имени академика О. В. Романа» Национальной академии наук БеларусиState Scientific Institution “Institute of Powder Metallurgy named after Academician O. V. Roman” of the National Academy of Sciences of BelarusБелорусский национальный технический университетBelarusian National Technical University202506012026704271284Copyright © Петюшик Е.Е., Фомихина И.В., Дробыш А.А., 20262026Петюшик Е.Е., Фомихина И.В., Дробыш А.А.Petyushik E.E., Fomikhina I.V., Drobysh A.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestift.belnauka.by/jour/article/view/912

Представлены  результаты  исследования  структуры  и  свойств  двух  составов  пористых  композиционных материалов системы CaO–MgO–FeO(Fe2O3)–Al2O3–SiO2 на основе базальтового волокна, сформированных в процессе термоциклирования. Изготовленные из шихты I состава образцы имели следующую структуру: базальтовое волокно (37 мас.%) + муллитокремнеземистое волокно (19 мас.%) + модификатор Al2(SO4)3 в качестве связки (11 мас.%) + порообразователь (19 мас.%) + фарфор в качестве упрочнителя (4 мас.%) + пластификатор (11 мас.%); II состава: базальтовое волокно (52 мас.%) + SiO2 (15 мас.%) + порообразователь (1 мас.%) + фарфор (алюмосиликат) в качестве упрочнителя (6,5 мас.%) + пластификатор (КМЦ, 6,5 мас.%) + известняковая мука (карбонат кальция, CaCO3, 19 мас.%). Термоциклирование проводилось в трех диапазонах температур 750–770 °С, 1025–1075 °С, 1070–1090 °С с целью получения определенных структуры и свойств композитов, спрессованных под давлением 20, 40 и 60 МПа. Для контроля морфологии поверхности, изменения фазового состава, аморфности и параметров тонкой структуры, пористости, проницаемости и прочностных свойств проводили оценку образцов на каждом цикле процесса.  На  основе  установленных  закономерностей  структурообразования  предложены  режимы  формирования порового пространства с сохранением пористости не ниже 45 %, прочности – 5–25 МПа, усадки в процессе спекания – не более 20 %. Исследованные композиционные материалы могут быть использованы для создания фильт-  рующих элементов систем разделения, очистки, преобразования жидких и газообразных сред. 

The results of studying the structure and properties of two compositions of porous composite materials of the CaO–MgO–FeO(Fe2O3)–Al2O3–SiO2 system based on basalt fiber formed during thermal cycling are presented. The samples made from the mixture of composition I had the following structure: basalt fiber (37 wt.%) + mullite-silica fiber (19 wt.%) + modifier Al 2(SO4)3 as a binder (11 wt.%) + blowing agent (19 wt.%) + porcelain as a hardener (4 wt.%) + plasticizer (11 wt.%); II composition: basalt fiber (52 wt.%) + SiO2 (15 wt.%) + blowing agent (1 wt.%) + porcelain (aluminosilicate) as hardener (6.5 wt.%) + plasticizer (CMC, 6.5 wt.%) + limestone flour (calcium carbonate, CaCO3, 19 wt.%). Thermal cycling was carried out in three temperature ranges of 750–770 °C, 1025–1075 °C, 1070–1090 °C in order to obtain certain structure and properties of composites pressed under pressure of 20, 40 and 60 MPa. To control surface morphology, changes in phase composition, amorphousness and fine structure parameters, porosity, permeability and strength properties, samples were evaluated at each process cycle. On the basis of established patterns of structure formation, modes of formation of pore space are proposed with preservation of porosity not lower than 45 %, strength 5–25 MPa, shrinkage in the process of sintering – not more than 20 %. The studied composite materials can be used to create filter elements of systems for separating, cleaning, converting liquid and gaseous media.

базальтовое волокнотермоциклированиеспеканиесиллиманитанортитпористостьпроницаемостьbasalt fiberthermal cyclingsinteringsillimaniteanorthiteporositypermeabilityработа выполнена в рамках задания 4.1.34 «Разработка и исследование керамических материалов с жесткой системой микрофильтрационных транспортных пор на основе базальтовых волокон» Государственной программы научных исследований «Материаловедение, новые материалы и технологии» на 2021–2025 годы, подпрограмма «Многофункциональные и композиционные материалы».the work was performed within the framework of Assignment 4.1.34 “Development and research of ceramic materials with a rigid system of microfiltration transport pores based on basalt fibers” of the State Research Program “Materials science, new materials and technologies” for 2021–2025, the Subprogram “Multifunctional and composite materials”.ReferencesВитязь, П. А. Фильтрующие материалы: свойства, область применения, технология изготовления / П. А. Витязь, В. М. Капцевич, Р. А. Кусин; под ред. П. А. Витязя. – Мн.: НИИ ПМ с ОП, 1999. – 304 с.Vityaz P. A., Kaptsevich V. M., Kusin R. A. Filtering Materials: Properties, Scope, Manufacturing Technology. Minsk, Research Institute of Powder Metallurgy with Pilot Production Publ., 1999. 304 p. (in Russian).Влияние природы связующего на структурно-механические свойства пористой силикатной керамики / А. И. Ратько, А. И. Иванец, Е. А. Степанова, С. М. Азаров // Физикохимия поверхности и защита материалов. – 2009. – Т. 45, № 2. – С. 222–227.Rat’ko A. I., Ivanets A. I., Stepanova E. A., Azarov S. M. Binder influence on the structural and mechanical properties of porous silicate ceramics. Protection of Metals and Physical Chemistry of Surfaces, 2009, vol. 45, no. 2, pp. 207–211. https://doi.org/10.1134/s2070205109020142Модифицирование поверхности высокопористых керамических материалов / В. Н. Анциферов, С. Е. Порозова, Е. В. Матыгуллина, Р. М. Хафизова // Огнеупоры и техническая керамика. – 2004. – № 8. – С. 2–4.Anziferov V. N., Porozova C. E., Matiygullina E. V., Chafizova R. M. Surface modification of high-porous ceramic materials. Ogneupory i technitcheskaja keramica = Refractories and Technical Ceramics, 2004, no. 8, pp. 2–4 (in Russian).Пути совершенствования технологии и свойств конструкционных керамических материалов / Г. И. Бердов, В. А. Лиенко, П. М. Плетнев, И. И. Рогов // Конструкции из композиционных материалов. – 2004. – № 2. – С. 5–9.Berdov G. I., Lienko V. A., Pletnev P. M., Rogov I. I. Ways to improve the technology and properties of structural ceramic materials. Konstruktsii iz kompozitsionnykh materialov = Composite Materials Constructions, 2004, no. 2, pp. 5–9 (in Russian).Влияние размера частиц порошка на структурные характеристики пористых проницаемых макротел на основе природного кварца / О. П. Реут, Е. Е. Петюшик, С. М. Азаров, А. А. Дробыш // Порошковая металлургия: респ. межведомств. сб. науч. тр. / Бел. респ. науч.-произв. об-ние порошк. металлургии. – Мн., 2006. – Вып. 29. – С. 337–341.Berdov G. I., Lienko V. A., Pletnev P. M., Rogov I. I. The effect of powder particle size on the structural characteristics of porous permeable macrobodies based on natural quartz. Poroshkovaya metallurgiya: resp. mezhvedomstv. sb. nauch. tr. [Powder Metallurgy: Republican Interdepartmental Collection of Scientific Papers]. Minsk, 2006, iss. 29, pp. 337–341 (in Russian).Investigation of the structure and properties of ceramic materials with a rigid system microfiltration transport pores based on basalt fibers / S. Besarab, S. Azarov, J. Sauka [et al.] // ChemRxiv. – 2021. https://doi.org/10.26434/chemrxiv-2021-46cg5Besarab S., Azarov S., Sauka J., Petyushik E., Azarova T., Drobysh A. Investigation of the structure and properties of ceramic materials with a rigid system microfiltration transport pores based on basalt fibers [preprint]. ChemRxiv. 2021. https://doi.org/10.26434/chemrxiv-2021-46cg5Минералы. Диаграммы фазовых равновесий: справочник: в 2 вып. / Акад. наук СССР, Ин-т геологии рудных месторождений петрографии, минералогии и геохимии; отв. ред.: Ф. В. Чухров, И. А. Островский, В. В. Лапин. – М.: Наука, 1974. – Вып. 1: Фазовые равновесия, важные для природного минералообразования. – 515 с.Chukhrov F. V., Ostrovsky I. A., Lapin V. V. (eds). Minerals. Phase Equilibrium Diagrams: Guide. Vol. 1: Phase Equilibria Important for Natural Mineral Formation. Moscow, Nauka, 1974. 515 p. (in Russian).Рабухин, А. И. Физическая химия тугоплавких неметаллических и силикатных соединений / А. И. Рабухин, В. Г. Савельев. – М.: Инфра-М, 2009. – 302 с.Rabukhin, A. I., Savelyev V. G. Physical Chemistry of Refractory Non-Metallic and Silicate Compounds. Moscow, Infra-M Publ, 2008. 304 p. (in Russian).Лукин, Е. С. Пористая проницаемая керамика из оксида алюминия / Е. С. Лукин, А. Л. Кутейникова, Н. А. Попова // Стекло и керамика. – 2003. – № 3. – С. 17–18.Lukin E. S., Kuteinikova A. L., Popova N. A. Porous Permeable Ceramics Based on Aluminum Oxide. Glass and Ceramics, 2003, vol. 60, рр. 81–82. https://doi.org/10.1023/a:1024727830665Особенности формирования пористых структур керамических материалов с различными выгорающими компонентами / С. Л. Радченко, Е. М. Дятлова, Т. В. Колонтаева, В. А. Бирюк // Весцi Нацыянальнай акадэміі навук Беларусi. Серыя хiмічных навук. – 2003. – Т. 76, № 1. – С. 107–110.Radchenko S. L., Dyatlova E. M., Kolontayeva T. V., Biryuk V. A. Features of formation of porous structures of ceramic materials with different burning components. Vestsi Natsyyanal’nai akademii navuk Belarusi. Seryya khimichnykh navuk = Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Chemical series, 2003, vol. 76, no. 1, pp. 107–110 (in Russian).Воробьева, В. В. Влияние тонкодисперсной составляющей на формирование пористой проницаемой структуры керамики / В. В. Воробьева, В. Г. Леонов // Стекло и керамика. – 2002. – Т. 75, № 6. – С. 21–23.Vorob’eva V. V., Leonov V. G. The Effect of the Finely Dispersed Component on the Formation of a Porous Permeable Structure in Ceramics. Glass and Ceramics, 2002, vol. 59, no. 5–6, pp. 205–207. https://doi.org/10.1023/a:1020444416597Закономерности влияния температуры спекания и состава упрочняющего компонента на прочность композиционных материалов на основе базальтового волокна / Е. Е. Петюшик, И. В. Фомихина, Л. В. Маркова [и др.] // Порошковая металлургия: респ. межвед. сб. науч. тр. / Нац. акад. наук Беларуси, Гос. науч.-произв. об-ние порошк. металлургии, Ин-т порошк. металлургии; редкол.: А. Ф. Ильющенко [и др.]. – Мн., 2022. – Вып. 45. – С. 136–142.Petyushik E. E, Fomikhina I. V., Markova L. V., Gamzeleva T. V., Dershen A. V., Drobysh A. A., Evtukhova T. E. Regularities of the effect of sintering temperature and composition of the reinforcing component on the strength of composite materials based on basalt fiber. Poroshkovaya metallurgiya: resp. mezhved. sb. nauch. tr. [Powder Metallurgy: Republican Interdepartmental Collection of Scientific Papers]. Minsk, 2022, iss. 45, pp. 136–142 (in Russian).Пористая алюмосиликатная керамика / С. М. Азаров, Е. Е. Петюшик, Т. А. Азарова [и др.]. – Мн.: Ковчег, 2009. – 258 с.Azarov S. M., Piatsiushyk E. E., Azarova T. A., Ratʼko A. I., Reut O. P., Makartshuk D. V. Porous Aluminosilicate Ceramics. Minsk, Kovcheg Publ., 2009. 258 p. (in Russian).Корнилов, А. В. Причины различного влияния известковых глин на прочностные характеристики керамики / А. В. Корнилов // Стекло и керамика. – 2005. – Т. 78, № 12. – С. 30–32.Kornilov A. V. Reasons for the different effects of calcareous clays on strength properties of ceramics. Glass and Ceramics, 2005, vol. 62, no. 11–12, pp. 391–393. https://doi.org/10.1007/s10717-006-0017-9Рыжков, И. В. Физико-химические основы формирования свойств смесей с жидким стеклом / И. В. Рыжков, В. С. Толстой. – Харьков: Высш. шк., 1975. – 139 с.Ryzhkov I. V., Tolstoy V. S. Physicochemical Foundations of the Formation of Properties of Mixtures with Liquid Glass. Kharkov, Vysshaya shkola Publ., 1975. 140 p. (in Russian).Hwang, S.-L. Grain size control of tetragonal zirconia polycrystals using the space charge concept / S.-L. Hwang, I.-W. Chen // Journal of the American Ceramic Society. – 1990. – Vol. 73, iss. 11. – P. 3269–3277. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1990.tb06449.xHwang S., Chen I. Grain Size Control of Tetragonal Zirconia Polycrystals Using the Space Charge Concept. Journal of the American Ceramic Society, 1990, vol. 73, no. 11, pp. 3269–3277. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1990.tb06449.xIkeda, J. A. S. Space charge segregation at grain boundaries in titanium dioxide: I, Relationship between lattice defect chemistry and space charge potential / J. A. S. Ikeda, Y.-M. Chiang // Journal of the American Ceramic Society. – 1993. – Vol. 76, iss. 10. – P. 2437–2446. http://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1993.tb03964.xIkeda J. A. S., Chiang Y. Space Charge Segregation at Grain Boundaries in Titanium Dioxide: I, Relationship between Lattice Defect Chemistry and Space Charge Potential. Journal of the American Ceramic Society, 1993, vol. 76, iss. 10, pp. 2437–2446. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1993.tb03964.xSpace Charge Segregation at Grain Boundaries in Titanium Dioxide: II, Model Experiments / J. A. S. Ikeda, Y.-M. Chiang, A. J. Garratt-Reed, J. B. Vander // Journal of the American Ceramic Society. – 1993. – Vol. 76, iss. 10. – P. 2447–2459. – https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1993.tb03965.xIkeda J. A. S., Chiang Y., Garratt‐Reed A. J., Sande J. B. V. Space Charge Segregation at Grain Boundaries in Titanium Dioxide: II, Model Experiments. Journal of the American Ceramic Society, 1993, vol. 76, iss. 10, pp. 2447–2459. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1993.tb03965.xChiang, Y.-M. Grain-Boundary Chemistry of Barium Titanate and Strontium Titanate: I, High-Temperature Equilibrium Space Charge / Y.-M. Chiang, T. Takagi // Journal of the American Ceramic Society. – 1990. – Vol. 73, iss. 11. – P. 3278–3285. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1990.tb06450.xChiang Y., Takagi T. Grain‐Boundary Chemistry of Barium Titanate and Strontium Titanate: I, High‐Temperature Equilibrium Space Charge. Journal of the American Ceramic Society, 1990, vol. 73, iss. 11, рр. 3278–3285. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1990.tb06450.xChiang, Y.-M. Grain-Boundary Migration in Nonstoichiometric Solid Solutions of Magnesium Aluminate Spinel: II, Effects of Grain-Boundary Nonstoichiometry / Y.-M. Chiang, W. D. Kingery // Journal of the American Ceramic Society. – 1990. – Vol. 73, iss. 5. – P. 1153–1158. – https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1990.tb05172.xChiang Y.-M., Kingery W. D. Grain-Boundary Migration in Nonstoichiometric Solid Solutions of Magnesium Aluminate Spinel: II, Effects of Grain-Boundary Nonstoichiometry. Journal of the American Ceramic Society, 1990, vol. 73, iss. 5, pp. 1153–1158. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1990.tb05172.xBennison, S. J. A history of the role of MgO in the sintering of α-Al2O3 / S. J. Bennison, M. P. Harmer // Ceramic Transactions / eds.: C. A. Handwerker, J. E. Blendell, W. A. Kaysser. – Columbus, OH: American Ceramic Society, 1990. – Vol. 7: Sintering of Advanced Ceramics. – P. 13–49.Bennison S. J., Harmer M. P. A history of the role of MgO in the sintering of α- Al2O3. Handwerker C. A., Blendell J. E., Kaysser W. A. (eds.). Ceramic. Transactions. Vol. 7: Sintering of Advanced Ceramics. American Ceramic Society, Columbus, OH, 1990, pp. 13–49.Johnson, W. C. A Test of the Second-Phase and Impurity-Segregation Models for MgO-Enhanced Densification of Sintered Alumina / W. C. Johnson, R. L. Coble // Journal of the American Ceramic Society. – 1978. – Vol. 61, iss. 3–4. – P. 110–114. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1978.tb09250.xJohnson W. C., Coble R. L. A Test of the Second-Phase and Impurity-Segregation Models for MgO-Enhanced Densification of Sintered Alumina. Journal of the American Ceramic Society, 1978, vol. 61, iss. 3–4, pp. 110–114. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1978.tb09250.xGrain-Growth Kinetics for Alumina in the Absence of a Liquid Phase / J. Stephen, S. Bennison, P. Martin, M. Harmer // Journal of the American Ceramic Society. – 1985. – Vol. 68, iss. 1. – P. C-22–C-24. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1985.tb15259.xStephen J., Bennison S., Martin P., Harmer M. Grain-Growth Kinetics for Alumina in the Absence of a Liquid Phase. Journal of the American Ceramic Society, 1985, vol. 68, iss. 1, pp. C-22–C-24. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1985.tb15259.xBerry, K. A. Effect of MgO Solute on Microstructure Development in Al2O3 / K. A. Berry, M. P. Harmer // Journal of the American Ceramic Society. – 1986. – Vol. 69, iss. 2. – P. 143–149. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1986.tb04719.xBerry K. A., Harmer M. P. Effect of MgO Solute on Microstructure Development in Al2O3. Journal of the American Ceramic Society, 1986, vol. 69, iss. 2, pp. 143–149. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1986.tb04719.xBaik, S. Segregation of Mg to the (0001) Surface of Single-Crystal Alumina: Quantification of AES Results / S. Baik // Journal of the American Ceramic Society. – 1986. – Vol. 69, iss. 5. – P. C-101–C-103. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1986.tb04780.xBaik S. Segregation of Mg to the (0001) Surface of Single-Crystal Alumina: Quantification of AES Results. Journal of the American Ceramic Society, 1986, vol. 69, iss. 5, pp. C-101–C-103. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1986.tb04780.xBaik, S. Anisotropic Calcium Segregation to the Surface of Al2O3 / S. Baik, C. L. White // Journal of the American Ceramic Society. – 1987. – Vol. 70, iss. 9. – P. 682–688. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1987.tb05739.xBaik S., White C. L. Anisotropic Calcium Segregation to the Surface of Al2O3. Journal of the American Ceramic Society, 1987, vol. 70, iss. 9, pp. 682–688. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1987.tb05739.x

The authors declare that there are no conflicts of interest present.