Научная статья на тему 'Функциональная керамика на основе монтмориллонит содержащей глины'

Функциональная керамика на основе монтмориллонит содержащей глины Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
767
266
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
КРЕМНЕЗЕМИСТАЯ КЕРАМИКА / МОНТМОРИЛЛОНИТ СОДЕРЖАЩАЯ ГЛИНА / СИНТЕЗ / ДИСПЕРСНОСТЬ / ФРАКЦИЯ / КАРБИД КРЕМНИЯ / COMPOSITE CERAMIC MATERIAL / THE SYNTHESIS / DISPERSION / MONTMORILLONITE CONTAINING CLAY / CARBIDE OF SILICON

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Анисина Инга Николаевна

Одной из задач современного материаловедения является создание эффективных ресурсои энергосберегающих технологий производства керамических материалов с заданными свойствами. Перспективна разработка новых технологий и, в первую очередь, оптимизация процессов термообработки и дисперсных составов керамических масс с целью получения требуемых свойств, с использованием природного дешевого и доступного сырья. В связи с этим все большее внимание в области новых материалов уделяется глинам и системам на их основе. Методами химического, дисперсного, рентгенофазового, рентгенофлуоресцентного анализов, оптической микроскопии определены дисперсный и фазовый составы исходных керамических масс и образцов композиционного керамического материала на основе природной монтмориллонит содержащей глины одного из месторождений Оренбургской области. Глина относится к группе легкоплавкого глинистого сырья, с преобладанием двух фракций при средних эффективных диаметрах частиц 400 и 130 мкм. Для мелкодисперсной фракции интервал спекания вырождается в точку 950 оС; армирование частицами SiC расширяет его от 950 до 1000 °С и повышает прочность композиционного керамического материала с 5 до 50 МПа после спекания при 1000 °С (2 ч.) с промежуточной выдержкой при 700 °С (1 ч.). Для частиц МС глины 400 мкм армирование керамической массы частицами SiC повышает коэффициенты теплои температуропроводности на 30%, в результате чего прочность на сжатие 50 МПа обеспечивается структурой, формирующейся после обжига при 950 °С (2 ч.) с промежуточной выдержкой при 700 °С (1 ч.). Кислотность воды затворения позволила исключить образование трещин в объеме образца, снизила скорости фазовых превращений при спекании. Максимальная прочность композиционного керамического материала состава монтмориллонит содержащей глины обусловлена содержанием силлиманита, количество которого определяется дисперсностью глинистых частиц и режимами синтеза.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Анисина Инга Николаевна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

FUNCTIONAL CERAMICS BASED ON MONTMORILLONITE CONTAINING CLAY

One of the problems of modern materials science is the establishment of effective resource and energy saving technologies for production of ceramic materials with desired properties. Promising development of new technologies and, above all, the optimization of heat treatment processes and disperse composition of ceramic masses in order to obtain the desired properties, using natural cheap and available raw materials. In this regard, more and more attention is paid to new materials and clays systems on their basis. By chemical, particulate, XRD, XRF analysis, optical microscopy identified particulate and phase compositions of the starting ceramic material and samples of the composite ceramic material (CCM) on the basis of natural montmorillonite containing (MС), one of the clay deposits of the Orenburg region. Refers to a group of clay fusible clay material with predominance of two fractions with effective average particle diameters of 400 and 130 microns. For fine fraction interval sintering degenerates into a point 950 °C; reinforcement particles of SiC (20 wt.%) it extends from 950 to 1000 °C increases the strength of the CCM and from 5 to 50 MPa followed by sintering at 1000 °C (2h) with an intermediate heating at 700 ° C (1h). MC clay particles 400 microns ceramic reinforcement particles mass SiC (20 wt.%) and increasing the coefficient of heat diffusivity of 30%, whereby a compressive strength of 50 MPa is provided by a structure formed after annealing at 950 °C (2h) with intermediate holding at 700 °C (1h). The acidity of the mixing water (pH2) allowed to exclude the formation of cracks in the sample volume, reduce the speed of phase transformations during sintering. Maximum strength of CCM MC clay 20% pH2 20% SiC due to the content of 40-50% sillimanite, the amount of which is determined by the dispersion of clay particles and the synthesis conditions.

Текст научной работы на тему «Функциональная керамика на основе монтмориллонит содержащей глины»

УДК 536.425: 544.023.523: 544.3.032

Анисина И.Н.

Оренбургский государственный университет Е-mail: [email protected]

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ КЕРАМИКА НА ОСНОВЕ МОНТМОРИЛЛОНИТ СОДЕРЖАЩЕЙ ГЛИНЫ

Одной из задач современного материаловедения является создание эффективных ресурсо- и энергосберегающих технологий производства керамических материалов с заданными свойствами. Перспективна разработка новых технологий и, в первую очередь, оптимизация процессов термообработки и дисперсных составов керамических масс с целью получения требуемых свойств, с использованием природного дешевого и доступного сырья. В связи с этим все большее внимание в области новых материалов уделяется глинам и системам на их основе. Методами химического, дисперсного, рентгенофазового, рентгенофлуоресцентного анализов, оптической микроскопии определены дисперсный и фазовый составы исходных керамических масс и образцов композиционного керамического материала на основе природной монтмориллонит содержащей глины одного из месторождений Оренбургской области. Глина относится к группе легкоплавкого глинистого сырья, с преобладанием двух фракций при средних эффективных диаметрах частиц 400 и 130 мкм. Для мелкодисперсной фракции интервал спекания вырождается в точку - 950 оС; армирование частицами SiC расширяет его от 950 до 1000 °С и повышает прочность композиционного керамического материала с 5 до 50 МПа после спекания при 1000 °С (2 ч.) с промежуточной выдержкой при 700 °С (1 ч.). Для частиц МС глины 400 мкм армирование керамической массы частицами SiC повышает коэффициенты тепло- и температуропроводности на 30%, в результате чего прочность на сжатие 50 МПа обеспечивается структурой, формирующейся после обжига при 950 °С (2 ч.) с промежуточной выдержкой при 700 °С (1 ч.). Кислотность воды затворения позволила исключить образование трещин в объеме образца, снизила скорости фазовых превращений при спекании. Максимальная прочность композиционного керамического материала состава монтмориллонит содержащей глины обусловлена содержанием силлиманита, количество которого определяется дисперсностью глинистых частиц и режимами синтеза.

Ключевые слова: кремнеземистая керамика, монтмориллонит содержащая глина, синтез, дисперсность, фракция, карбид кремния.

В последние 50 лет востребован материал с высокой термостойкостью, химической стойкостью, постоянными электрофизическими и высокими теплоизоляционными свойствами. В связи с этим все большее внимание в области новых материалов уделяется глинам и системам на их основе, поскольку минеральное сырье, обладая высоким потенциалом в отношении теплофизи-ческих и механических свойств, является доступным и имеет низкую себестоимость. Кремнеземистая керамика может эксплуатироваться в качестве функциональной керамики в виде втулок, вкладышей, подложек в нагревательных устройствах, печах в широком интервале температур, вплоть до 700 °С [1], [2]. Малая теплопроводность при низкой пористости и минимальной герметизации поверхности путем самоглазурования позволяет использовать ее в качестве отражателей для теплоизлучателей. Температура поверхности отражателя повышается мгновенно и практически без потерь идет на нагревание нижних слоев изделия, что исключает необходимость его охлаждения. Особое значение имеет высокая химическая стойкость, которая позволяет использовать кремнеземистую керамику в качестве установочной в химико-технологических процессах, химических шкафах.

Одной из главных причин, которая препятствует более широкому применению кремнеземистой керамики, является её хрупкость. Кремнеземистые керамические материалы обычно не испытывают пластической деформации и имеют низкую стойкость к ударным нагрузкам. Задача повышения прочности может быть решена путем армирования керамики тугоплавкими частицами карбида кремния. В технологии получения кремниевых пластин, используемых для нанесения эпитаксиальных слоев в производстве микроэлектронных компонентов, а также заготовок элементов солнечных батарей одной из основных операций является резка кристаллов кремния большого диаметра. При этом количество кремния, превращающегося в тонкодисперсный порошок, смешанный с абразивным материалом, как правило, с карбидом кремния, составляет до 50-60% от исходного. Вовлечение в технологию керамики техногенных отходов, образующихся в этих производствах, обуславливает выбор данного армирующего компонента.

Оренбургская область располагает большим разнообразием глинистых материалов, отличающихся по внешнему виду и окраске, химическому и минеральному составам, связующей

способности, содержанию загрязняющих примесей, огнеупорности, и т. п. Почти повсеместно в области распространены полиминеральные легкоплавкие глины, являющиеся основным сырьем для производства керамических строительных материалов. Однако возможность их использования в производстве функциональной (технической) керамики не установлена. Создание оптимальной структуры в керамике на основе малоизвестного специфичного сырья невозможно без специальных исследований. Необходимо изучить эволюцию структуры на различных уровнях и основные характеристики кремнеземистой керамики на основе местной глины в зависимости дисперсных составов, ионного состава воды затворения керамической массы (шихты), количества армирующих добавок, а также оптимизации режимов термообработки.

Целью работы является комплексное исследование условий формирования структуры и получение прочного композиционного керамического материала функционального назначения на основе монтмориллонит содержащей глины.

Материал и методы исследования

В качестве объекта для исследования выбрана глина из Южно-Оренбургского месторождения, расположенного в 12 километрах к югу-востоку от г. Оренбурга. Глина данного месторождения используется для производства строительных материалов, в частности, керамзита. Элементный состав исходных компонентов определен с помощью метода химического анализа [3]. Дисперсный состав глины изучен методами гранулометрии, седиментационного анализа и количественной оптической микроскопии [4]. Для определения фазовых составов исходных керамических масс и образцов композиционного керамического материала, а также фазовых превращений, протекающих в них при спекании, использовался метод рентгенофазо-вого анализа [3], [5]. Рентгенофазовый анализ проводили с помощью аппарата ДРОН-3, использовали медное излучение. Расшифровку дифрактограмм проводили по стандартным методикам, интенсивность пиков оценивали по центру тяжести дифракционных линий. Для описания и выявления закономерностей в формировании структуры керамического материала использовали методы оптической микроскопии в сочетании со статистическими измерениями. Кинетику спекания оценивали по технологическим параметрам (объемной усадке, из-

менению массы, плотности, пористости), определяемым по стандартным методикам.

В исследовании влияния теплофизических процессов на свойства гетерогенных систем применяли экспериментальные и расчетные методы, имеющие своей целью прогнозирование свойств и поведения материала при воздействии температуры. Такие характеристики теплофи-зических свойств, как удельная теплоемкость, коэффициент теплопроводности могут использоваться для описания изменений, которые происходят в структуре при спекании керамических материалов, так как они зависят от температуры и их можно считать структурно чувствительными. В работе использован стационарный калориметрический метод определения коэффициентов теплоемкости и теплопроводности керамической массы и керамических образцов. Определяли прочность на сжатие.

Керамические образцы для исследования получали по традиционной технологии: готовили керамическую шихту, добавляя в глину до 20% воды. Полученную массу перемешивали и помещали на сутки в эксикатор для равномерного распределения влаги по объему. С помощью пресса-твердомера ТШ-ВМ производили полусухое прессование образцов в форме дисков диаметром 25 и высотой 10 мм. Сушили образцы сутки на воздухе при комнатной температуре и 2 часа при 160 оС. Обжигали образцы в электрической муфельной печи резистивного нагрева типа СНОЛ со скоростью нагрева 6 К/мин. Охлаждали образцы вместе с печью.

Результаты и их обсуждение

Одним из направлений, позволяющим улучшить качество глинистых материалов, повысить эффективность технологического процесса, является «обогащение» природного сырья. Самыми распространенными приемами обогащения глин являются: рассев на фракции, магнитная сепарация, промывка (удаление водорастворимых солей и оксидов калия и натрия) и подбор для затворения шихты воды с оптимальными значениями рН.

Гранулометрический анализ показал, что исследуемая монтмориллонит содержащая глина относится к группе легкоплавкого глинистого сырья, с преобладанием двух фракций -А (630-160 мкм) и В (160-40 мкм), средние эффективные диаметры частиц в которых составляют соответственно: 400 и 130 мкм (3:1). Важнейшей характеристикой качества глины, ис-

пользуемой для производства керамики, является содержание железистых примесей. Повышенное содержание железистых примесей увеличивает склонность глины к вспучиванию в процессе обжига. Чтобы снизить количество железа в глине, используют метод магнитной сепарации для удаления частиц, обладающих ферро- и ферримагнитными свойствами [6]. В исследуемой глине, согласно результатам химического анализа, высокое содержание железа (около 9,5%), однако магнитная сепарация оказалась неэффективной ввиду малого количества магнитных соединений железа.

Существенное влияние на фазовые превращения и их интенсивность могут оказывать водорастворимые соли калия и натрия, образующие легкоплавкие эвтектики. Водорастворимые соли активирует процесс спекания, способствуя быстрому образованию легкоплавкой стеклофазы, содержащей в твердом растворе оксиды натрия и калия. При охлаждении быстрая кристаллизация легкоплавких стекол приводит к дополнительному охрупчиванию керамических образцов и снижению прочности на сжатие и термостойкости. Таким образом, при подготовке шихты целесообразно удаление водорастворимых солей из монтмориллонит содержащей глины.

В керамической технологии наиболее распространены шихты, в которых жидкой фазой является вода. В каждом случае при затворе-нии глины водой образуются индивидуальные структурные комплексы или кластеры, физико-химические и технологические свойства которых определяются структурой, размерами и формой глиняных частиц, толщинами водных оболочек и составом адсорбированных катионов. Диапазон вариации внутренних параметров керамической массы, связанных с рН воды затворения, особенно широк для монтморилло-нитовых глин. Керамическая масса из глины с кислой водой имеет высокую эластичность, с кислой водой частицы монтмориллонит содержащей глины взаимодействуют наиболее интенсивно, о чем свидетельствуют максимальные значения удельной теплоемкости. Структура формируется с высокой внутренней энергией, большой теплоудерживающей способностью, следовательно процессы синтеза керамики должны активироваться.

На первом этапе изучали эволюцию структуры и свойств полидисперсных образцов, подвергнутых предварительным обжигам

(Т = 900 °С, со скоростью нагрева и = 6 К/мин с вариацией времени выдержки от 1 до 4 часов), при которых практически не включен механизм жидкофазного спекания. Интенсивность спекания оценивали по повышению плотности и снижению открытой пористости. Результаты экспериментов приведены на рисунке 1. Процесс спекания можно разбить на 3 стадии: на 1-й стадии (2-й час) скорость уплотнения максимальная - 15 %/час, открытая пористость снижается со скоростью 9 %/час. На второй стадии (3-й час) плотность и пористость практически не изменяются, формируется структура с пористостью около 13%. На третьей стадии (4-й час) плотность растет на 5%, пористость снижается на 2%, очевидно, за счет начала образования жидкофазных прослоек, заполняющих поры. Поэтому в дальнейшем для предварительных обжигов выбрано время выдержки от 1 до 3 часов.

После обжига при 900 оС, 3 часа фазовый состав представлен в-кварцем (30%), а-корун-дом (10%), железистым кордиеритом (20%), гематитом (10%), шпинель (30%). При 900 °С фазовые превращения, в результате которых должны образоваться прочные алюмосиликаты, практически не развиваются.

Для кремнеземистой керамики типичным способом синтеза является спекание в присутствии жидкой фазы, поэтому наибольший интерес представляет исследование вариации внутренних (мезо- и микроструктуры керамической массы) и внешних параметров на формирование структуры в образцах.

В качестве внешних управляющих параметров выбраны следующие режимы обжигов:

120 180 ^ мин

— р, г/см3 ■ •W, %

Рисунок 1. Зависимость плотности и открытой пористости образцов от времени выдержки при 900 °С

1.950 °С (3 ч.) (определение кинетики жидкостного спекания);

2.1000 °С (3 ч.) (определение кинетики жидкостного спекания).

В качестве внутренних управляющих параметров использовали:

1. Дисперсность частиц, мкм: А (630-160) и В (160-40);

2. Ккислотность воды затворения, рН: 2 и 7.

Влияние дисперсности и рН воды затворения на процессы спекания изучали после обжига при 950 оС (3 ч.). Усадка образцов при использовании рН7 выше; кислотность воды затворения рН2 снижает скорость спекания в 1,6 и 1,1 для А и В соответственно, что согласуется со значениями теплоемкости: с рН2 она выше в 1,2 для А и в 1,1 для В (рисунок 2).

При температуре обжига 900 оС в образцах с рН7 формируется структура с трещинами независимо от дисперсности. После обжигов при 950 оС (3 ч.) образуются градиентные структуры. В объеме образцов наблюдаются границы резких фазовых переходов между поверхностными слоями кирпичного цвета и внутренними областями черно-серого цвета, результата восстановительных реакций оксидов железа. При рН2 эти области меньше.

Поскольку повышение температуры до 950 оС не устраняет неоднородностей в мезострукту-ре, опробовали обжиг при 1000 оС (3 ч.). Образцы сильно деформированы в результате пережога. Реакции восстановления железа идут в объеме, занимающем более 80%, и являются доминирующими фазовыми превращениями.

Рассмотренные режимы спекания не реализуют условий получения однородной струк-

туры по объему образцов. Для исследуемой глины чрезвычайно узкий интервал спекания практически вырождается в точку неустойчивого равновесия (при 950 оС), для которой зафиксированы максимальные значения плотности образцов (до 1,97 г/см3). Прочность на сжатие при хрупком разрушении образцов около 10 МПа не зависит от ионного состава воды затворения и размеров частиц. Для расширения интервала спекания и получения однородной структуры необходимо понизить скорость фазовых превращений при обжигах. Для этого можно изменить внутренние или внешние управляющие параметры: а) ввести промежуточные выдержки при температурах ниже температуры образования жидкой фазы; б) использовать специальные наполнители для повышения тепло- и температуропроводности керамической массы при высоких температурах; в) повысить кислотность воды затворения.

Исследовали влияние армирования частицами карбида кремния (размерами менее 20 мкм) на кинетику спекания образцов ККМ. Частицы БЮ использованы также в качестве активаторов спекания - известно, что при 1000 °С в ме-тастабильных модификациях карбида кремния проходят полиморфные превращения с экзотермическим эффектом. Кроме того, теплопроводность БЮ в десятки раз выше, чем у глинистых минералов, что должно способствовать образованию однородной структуры в объеме образцов за счет большей скорости прогрева. По формуле Оделевского для двухкомпонентных структур со сферическими включениями (БЮ) провели расчет эффективной теплопроводности твердофазного каркаса:

Рисунок 2. Значения усадки и удельной теплоемкости для образцов А и В, затворенных водой

с кислотностью рН2 и рН7

кэф = км /, / = 1 -

тп

1 - к2/км

1 - т2 3

где кэф, км, к2 - теплопроводность эффективная, матрицы (глины) и дисперсной фазы; т2 -объемная концентрация дисперсной фазы ( т2 =0,8 и 0,7 для 10% и 20% масс. частиц БЮ). Согласно результатам расчетов, коэффициент теплопроводности для образцов с содержанием 20% частиц БЮ должен увеличиться в 5-7 раз по сравнению с теплопроводностью образцов без частиц карбида кремния. Результаты расчетов коэффициентов теплопроводности обычно не кореллируют с результатами экспериментальных измерений к, поскольку в этих моделях не заложены структурные параметры, в частности, дисперсность спекаемой массы. Кроме того, в процессе нагрева и при высокотемпературной выдержке в керамических образцах идут многочисленные химические реакции и фазовые превращения, существенно влияющие на процессы переноса тепла.

Для образцов ККМ (монтмориллонит содержащая глина - частицы БЮ) экспериментально определены коэффициенты теплопроводности после сушки и спекания (рисунок 3).

После сушки значения теплопроводности изменяются с увеличением содержания БЮ в 1,4 раза для обеих фракций: от 0,8 до 1,1 Вт/м-К (В) и от 0,9 до 1,3 Вт/м-К (А). После спекания образцов в режиме 700 (1 ч.) - 950 °С (2 ч.) эффект влияния частиц БЮ не меняется: значения коэффициентов теплопроводности линейно растут -

от 0,9 до 1,25 Вт/м-К (В) и от 1 до 1,4 Вт/м-К (А).

Для кинетики фазовых превращений при высоких температурах определяющее значение имеет коэффициент температуропроводности, характеризующий скорость распространения температуры в теле. Температуропроводность для образцов из фракции А во всех случаях в 1,2 раза выше чем для фракции В. Максимальное значение температуропроводности наблюдается при 20 %-м содержании БЮ в этой фракции.

Для определения режима спекания, в котором наиболее эффективно влияние армирующих частиц (0, 10, 20%) на структуру и прочность ККМ, проводили обжиги по режимам для соответствующих составов керамических масс: 700 °С (1 ч.) - 950 °С (2 ч.) для АрН7, ВрН7, АрН2; 700 °С, 1 ч. - 1000 °С (2 ч.) для ВрН2. Кинетику спекания образцов оценивали по макропараметрам. Максимальная усадка наблюдается для образцов без армирующих добавок и колеблется в широких пределах - от 8 до 14% (рисунок 4). Использование воды с кислотностью рН2 уменьшают усадку, снижая скорость спекания. Для образцов, содержащих 10% частиц БЮ, усадка практически не отличается от усадки образцов без добавок. Введение 20% частиц БЮ снижает в 1,7 раз усадку крупнозернистых образцов, затворенных с рН2. Усадка образцов ККМ состава В-20 уменьшается на 25% независимо от рН воды затворения. Повышение температуры спекания до 1000 °С не приводит к резкому увеличению усадки образцов В-20.

dV/V,%

ею, %

Рисунок 3. Значения коэффициентов тепло-и температуропроводности для образцов ККМ после сушки и спекания

ВрН2

АрН2

ВрН7

Рисунок 4. Усадка образцов ККМ фракций А и В

1

Значения плотности образцов с 10 и 20% БЮ для случая обжига в режиме 700 °С (1 ч.) -950 °С (2 ч.) одинаковы, то есть активность спекания с увеличением содержания карбидных частиц снижается (рисунок 5). Плотность увеличивается для ВрН2. Температура 1000 °С обеспечивает стабильную скорость спекания образцов с увеличением массы частиц БЮ. Открытая пористость Ж существенно ниже для мелкозернистых образцов (рисунок 6); для образцов фракции А 6-9%, а образцы фракции В имеют значение Ж ~ 2-6%. ККМ с максимальной плотностью 2,3 г/см3 и минимальной открытой пористостью 2% получается из керамической массы, представляющей собой дисперсную систему, включающую частицы МС глины фракции В (160-40 мкм), 20% (масс) УДП - частиц БЮ,

2,5

p, г/емЭ

... X

1,5

-АрН7 О АрН2 ВрН7 X ВрН2

10

15 sic,% 20

Рисунок 5. Плотность образцов ККМ фракций А и В

W,%

ВрН2

АрН2

ВрН7

Рисунок 6. Открытая пористость в образцах ККМ фракций А и В

воду затворения с кислотностью рН2 , путем обжига в режиме 700 °С (1 ч.) - 1000 °С (2 ч.) при скорости нагрева 6 К/мин.

Эволюцию структуры ККМ на основе монтмориллонит содержащей глины и, связанные с ней свойства, исследовали фазовым анализом. Изменения в фазовых составах определяли для образцов ККМ фракции А в двух «крайних» точках: 1* (А, рН2 , 950 °С (3 ч.) и 2* (А-20, рН2 , 700 °С, 1 ч. - 950 °С (2 ч.). Данные РФА свидетельствуют о том, что при примерно равном количестве кристаллических фаз их содержание различается. Так в точке 1* наблюдаются в свободном состоянии оксиды алюминия и кварца: бёмит у-А12О3 и а-кварц БЮ2, составляющие около 50% всех кристаллических фаз. Остальные кристаллические фазы представлены гематитом, шпинелью и небольшим количеством силлиманита. При оптимизации режима обжига и добавка 20% частиц БЮ наряду с фазой Р-БЮ (20%) вместо оксидов алюминия и кремния, шпинели наблюдаются в большом количестве алюмосиликаты - силлиманит (40%) и микроклин. Увеличивается доля гематита.

Анализ фазовых составов образцов ККМ фракции В проводили для трех точек: В, рН2, 950 °С (3 ч.), В-20, рН2 , 700 °С (1 ч.) - 950 °С (2 ч.), В-20, рН2 , 700 °С(1 ч.) - 1000 °С (2 ч.). В образцах без добавок основной фазой является бёмит у-А12О3 (более 50%), остальные фазы представлены гематитом и свободным кварцем и в равных долях силлиманитом и микроклином. В образцах, обожженных при 1000 °С, меньше всего кристаллических компонентов. Большая доля стеклофазы. Повышение температуры обжига до 1000 °С приводит к доминированию силлиманита (более 50%), частичному сохранению свободного а-кварца (10%), фазы

сж, МПа 50

40

30

20

10

^ J i ,ll

ApH7 R1 BpH7 R1 ApH2 R1 BpH2 R2 ■ 0 B10 =20

Рисунок 7. Прочность на сжатие образцов ККМ

Р-БЮ (20%), гематита (10%), исчезновению оксидов алюминия. Такая эволюция фазового состава, и в первую очередь появление доминирующей фазы силлиманита, должна сопровождаться повышением механической прочности.

Определяли прочность на сжатие образцов ККМ. При режиме 700 °С (1 ч.) - 950 °С (2 ч.) для ККМ (А-20 при рН2 ) значения Осж ~ 1,5 осж (А-20 при рН7 ) (рисунок 7). Такое различие в эффектах упрочнения связано с наличием трещин длиной около 50 мкм, в образцах А-20 при рН7.

С увеличением содержания БЮ для образцов фракции А скорость распространения трещин снижается. Трещина сталкиваясь с карбидной частицей, меняет направление движения, теряя при этом скорость и часть энергии и в образцах А-20 является минимальной (меньше 100 мкм/с). В режиме 700 °С, 1 ч. - 1000 °С (2 ч.) наблюдается аддитивный энергетический эффект: экзотермические полиморфные превращения в БЮ, в результате чего исчезают термостабильные многослойные политипы Б1С; фазовые превращения монтмориллонит > силлиманит с экзотермическим эффектом. Максимальная прочность 40-50 МПа достигается для ККМ состава В-20 Б1С, затворенного на воде с рН2, при минимальной скорости разрушения - 100 мкм/с. За один акт перемещения трещина проходит расстояние, соизмеримое с размером зерна.

Выводы

Таким образом, комбинация вариации внутренних параметров керамической массы и режимов обжига позволяет расширить интервал спекания исследуемой глины на 50о (950-1000 °С). Армирование частицами БЮ предотвращает процесс пережога глины, способствуя образованию однородной структуры по сечению образцов, замедляя теплофизические процессы, характерные для монтмориллонит содержащих глин: плавление, образование стеклофазы и кипение легкоплавких фаз. Максимальная прочность (40-50 МПа) ККМ (глина - 20% БЮ - вода затворения рН2 ) достигается двумя путями:

1) спеканием крупнодисперсной керамической массы при 950 °С в течение двух часов с промежуточной часовой выдержкой при 700 °С, со скоростью нагрева 6 К/мин;

2) спеканием мелкодисперсной керамической массы при 1000 °С в течение двух часов с промежуточной часовой выдержкой при 700 °С, со скоростью нагрева 6 К/мин.

Практическое использование полученных результатов позволит создавать керамический материал функционального назначения, улучшит его прочностные характеристики. Использование техногенного сырья снизит себестоимость и упростит технологию получения изделий.

12.11.2014

Список литературы:

1. Пивинский, Ю.Е. Кварцевая керамика / О.Е. Пивинский, А.Г. Ромашин. - М: Металлургия, 1974. - 264 с.

2. Каныгина, О.Н. Физические аспекты термостойкости оксидной керамики / О.Н. Каныгина. - Бишкек: КРСУ, 2003. - 192 с.

3. Монтмориллонит содержащая глина как сырье для функциональных материалов / О.Н. Каныгина [и др.] // Вестник Оренбургского государственного университета. - 2013. - №10, октябрь. - С. 315-318.

4. Анисина, И.Н. Фазовые превращения в бентонитовой глине Оренбуржья при высоких температурах / И.Н. Анисина // Материаловедение. - 2011. - №10. - С. 51-54.

5. Дисперсионный анализ монтмориллонитосодержащей глины Оренбуржья / Каныгина О.Н. [и др.] // Вестник Оренбургского государственного университета. - 2011. - №12, декабрь. - С. 393-395.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

6. Иванова, А.В. Технологические испытания глин: учеб. электр. текстовое издание / А.В. Иванова, Н.А. Михайлова. -ГОУ ВПО УГТУ УПИ, 2005. - 41 с.

7. Evtushenko, E.I. Structural in stability of clay raw materials / E.I. Evtushenko [и др.] // Glass and Ceramics, 2004. - №5.

Сведения об авторах:

Анисина Инга Николаевна, старший преподаватель кафедры общей физики Оренбургского государственного университета

460018, г. Оренбург, пр-т Победы, 13, ауд. 1302а, тел. (3532) 372439, e-mail: [email protected]

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.