Фазовые превращения талька при нагревании Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

И 3 В Е С Т И Я

ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА им. С. М. КИРОВА

ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ ТАЛЬКА ПРИ НАГРЕВАНИИ

П. Г. УСОВ. Н. В. СОБОРА, Э. Н. БЕЛОМЕСТНОВА

(Представлена научным семинаром кафедры технологии силикатов)

Стеатитовая керамика, обладающая высокой механической прочностью и малым углом диэлектрических потерь, находит широкое применение в производстве высоковольтных, высокочастотных диэлектриков.

Тальк—компонент, в результате термической обработки которого образуется кристаллическая фаза стеатитовой керамики в виде метаси-ликата магния. Результаты многочисленных исследований характера изменений, происходящих в тальке при нагревании, часто противоречивы. До сих пор нет единого суждения о фазовом превращении и температуре стабильного состояния новообразований [1, 2, 3]. Необходимость более ясного представления о температурных изменениях минерала, широко используемого в промышленности, явилась причиной дальнейшего изучения этого вопроса.

В качестве объекта исследования взяты высококачественные обогащенные тальки (онотский и алгуйский), химический состав которых близок к теоретическому составу минерала, но имеющие различную морфологию кристаллов. Алгуйский порошковатый тальк—листовато-чешуйчатый, онотский—массивный, тонкочешуйчатый, мелкокристаллический. Исследования проведены в интервале температур 800—1500° С, Рентгенографическому, высокотемпературному рентгенографическому, петрографическому, гравитермометрическому и другим методам анализа подвергались образцы талька.

Результаты исследований показывают, что после обжига при 800° С тальковая структура сохраняется. Первые заметные признаки разложения имеют место при 900° С, причем в онотском тальке они проявляются резче, чем в алгуйском. По микроскопическому исследованию разложение сопровождается уменьшением силы двойного лучепреломления от 0,040 до 0,013 и увеличением светопреломления от 1,582 до 1,596 новообразования при термической обработке алгуйского талька приобретают волокнистое строение, а онотского—часто имеют пластинчатый облик. Рентгенограмма онотского талька, обожженного при 900° С, показывает, что все линии, присущие тальку, исчезли; алгуйский тальк сохраняет все дифракционные максимумы талька, но все они уменьшились и потеряли свою четкость. При дальнейшем нагревании продолжается перестройка структуры талька в структуру пироксена и совершенствование структуры последнего. На рентгенограммах, снятых с образцов, обожженных при 1000° и 1100° С, наряду с линиями, отвечающими обеим модификациям метасиликата магния, присутствуют дифракционные

о о о

максимумы с <¿ = 2,3 А, ¿/=1,97 А, ¿/=1,49 А, принадлежащие нротоэн-статиту. Высокотемпературный рентгеновский анализ также свидетельствует о том, что образующийся метасиликат магния — протоэнстатит. Новообразования волокнистой и пластинчатой формы, наблюдаемые

под Микроскопом,— это образования протоэнстатита, но несущего массу дефектов и напряжений. На это указывает размытость дифракционных максимумов, межплоскостные расстояния которых соответствуют про-тоэнстатиту.

Начиная с 1200° С первоначальные волокнистые агрегаты протоэнстатита переходят в тонкозернистые, состоящие из мельчайших зерен (размер отдельных кристаллических индивидов не более - 2 микрон). Суммарное светопреломление их равно 1,612±0,003. Внешне под микроскопом это проявляется в разрыве волокон поперек вытянутой оси и в образовании микрокристалликов. Причина разрыва волокон, на наш взгляд, кроется в дефектной структуре первоначального протоэнстатита. Образовавшиеся волокна имеют несколько большую длину, чем требуется для устойчивого кристалла. Это связано в свою очередь с тем, что скорость роста кристаллов больше, чем скорость образования центров кристаллизации в период разложения талька. Одной из причин анизотропии роста кристалла является конституция его решетки — вытяну-тость анионных цепочек. Волокнистые кристаллы, длина которых 60— 70 микрон (при ширине 1—2 микрона), испытывают напряжения разрыва и со временем рвутся. При этом ориентировка отдельных микро-кристалликов сохраняется. Поэтому, несмотря на их чрезвычайно малый размер, в скрещенных николях они выделяются довольно отчетливо.

Одновременно обособляются включения аморфного кремнезема, который затем кристаллизуется в виде кристобалита.

При 1400° С в продуктах исследуемых тальков полностью исчезают волокнистые агрегаты и преобладают тонкозернистые. Последние не испытывают полиморфного превращения и устойчивы при обычных температурах. Эта стабилизация протоэнстатита обусловлена малым размером кристаллов [4].

Процессы, происходящие при обжиге талька, не заканчиваются на образовании тонкозернистого протоэнстатита. Начиная с 1200° С, в продуктах обжига талька фиксируются кристаллы размером до 10 микрон другой полиморфной формы метасиликата магния-клиноэнстатита. Появление клиноэнетатита связано с рекристаллизационным ростом зерен протоэнстатита. Присутствие расплава при 1500° С способствует росту зерен протоэнстатита и последние при охлаждении легко трансформируются в моноклинную форму метасиликата магния. Клиноэнстатит является доминирующей кристаллической фазой при 1500° С. Выделения его имеют таблитчатый и короткопризматический габитус без четких граней, достигая 40—50 микрон. Отдельные зерна проявляют полисинтетическое двойникование. Рентгенограммы подтверждают клиноэнста-титовый состав.

Выводы

1. Структура талька при нагревании преобразуется в структуру протоэнстатита с отщеплением аморфного кремнезема.

2. Протоэнстатит в своем развитии проходит 3 стадии: пластинчатые и волокнистые разности, тонкозернистые агрегаты, крупные кристаллы. Последние при охлаждении тансформируются в клиноэнстатит.

ЛИТЕРАТУРА

1. А. И. Ав густи ник. Изменения талька при нагревании. Сб. Тальк, пром* стройиздат, 1952.

2. Д. С. Белянкин, Б. В. Иванов, В. В. Л а п м н. Петрография технического камня. Изд-во Академии наук СССР, 1952.

3. М. К о 11 е г ш а n п. Tonn^ndustrie-Zeltung., 6, 7/8, 1964.

4. П. Г. У с о в, В. Н. Г у р и н а. Влияние дисперсности кристаллов метасиликата магния на стабилизацию протоэнстатита при низкой температуре. Материалы XI областной конференции, г. Новосибирск, 1968.