CC BY
9
УДК 666.3:542.975
КЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И КОНСТРУКЦИИ С РЕГУЛЯРНОЙ СТРУКТУРОЙ
Е.В. МАТЫГУЛЛИНА, Ю.С. КЛЯЧКИН, Л.Д. СИРОТЕНКО*, A.M. ХАНОВ*
Институт технической химии УрО РАН, Пермь, Россия *Пермский государственный технический университет, Пермь, Россия
АННОТАЦИЯ. Разработана технология получения материалов и конструкций методом экструзии на основе оксидных систем. Получены материалы с регулярной микро-и макроструктурой. Получены и подтверждены экспериментально численные результаты по прогнозированию упругих и прочностных характеристик конструкций с регулярной структурой.
Одним из направлений развития современной керамической индустрии является разработка конструкций сложных геометрических форм. Области применения таких конструкций охватывают важнейшие направления прикладного характера, например, создание блочных катализаторов для очистки газовых выбросов, сотовых заполнителей, элементов фильтров. Постоянно растущий интерес отечественных и зарубежных специалистов в этой области связан с решением проблемы создания эффективной технологии производства сотовых крупногабаритных блоков, а также исследований в области формирования структуры этого класса материалов.
Настоящая работа посвящена установлению взаимосвязи структурных и технологических параметров со свойствами керамических материалов и общих физико-механических закономерностей технологического формирования механических свойств вновь разрабатываемых материалов и изделий с регулярной структурой.
Для решения технологических задач по получению керамических материалов с регулярной структурой изготовлен комплекс технологического оборудования, включающий лабораторное, опытно-промышленное оборудование и оснастку. Основой комплекса явилось видоизмененное и доработанное оборудование по переработке высоконаполненных полимерных композиций, исполь-
зуемое на предприятиях технической химии [1]. На рис.1 представлен общий вид опытно-промышленного плунжерного экструдера.
Недостаточная проработка методов оценки характеристики пластифицированных керамических масс в значительной степени затрудняет разработку технологий получения керамических изделий сложной пространственной формы и свидетельствует о необходимости дальнейшего развития технологических методов и критериев оценки экструдируемой массы при формовании.
С целью выбора критериального условия, обеспечивающего пригодность формовочной массы к экструдированию и высокое качество готовых изделий, исследовались структурно-механические свойства пластифицированных масс [2, 3].
Процесс пластического формования керамических масс, осуществляемый при давлении прессования 0,25 - 3,25 МПа, влажности 18-25% и нормальной температуре, вызывает интенсивное пластическое течение массы, нередко приводящее к нарушению ее как связной структурированной системы и появлению дефектов, снижающих трещиностойкость готового изделия. Поскольку процесс течения пластифицированной массы при экструдировании через фильеры с высокой степенью перфорации тесно связан с реологическими характеристиками керамической массы, то для разработки критерия, гарантирующего качество изделия, был проведен комплекс реологических исследований, включающий теоретический анализ и экспериментальную оценку параметров течения.
Рис. 1. Технологическое оборудование для получения материалов с регулярной структурой.
На основе метода капиллярной вискозиметрии разработана методика определения основных реологических характеристик и кривой течения исследуемых пластифицированных систем [ 4 ].
Анализ результатов исследований по установлению взаимосвязи между технологическими параметрами экструдирования пластической массы, ее реологическими характеристиками и формовочными свойствами показал, что получение качественных полуфабрикатов с регулярной макроструктурой возможно при значениях напряжения сдвига приготовленной массы в интервалах (2-4)х104 Па. При напряжении сдвига меньше 2x104 Па после экструзии решетчатая конструкция не сохраняет форму, происходит ее разрушение вследствие давления верхних слоев конструкции на нижние. При напряжении сдвига больше 4x104 Па резко увеличивается нагрузка на формообразующий инструмент, становится возможным его разрушение.
Установленные экспериментально пределы интервала возможного изменения сдвиговых напряжений пластифицированных масс использовались при проектировании формообразующего инструмента - перфорированных матриц (рис. 2). При изготовлении сотовых материалов нередко наблюдается недопустимая пластическая деформация перфорированных матриц. Поэтому вопрос о предупреждении их разрушения в процессе экструдирования пластифицированной массы является весьма актуальным. Необходима оценка несущей способности матриц при проектировании технологической оснастки. Расчет на прочность матрицы плунжерного пресса предполагал следующую постановку задачи: определить условия, вызывающие разрушение круговой и прямоугольной (квадратной) правильно перфорированной пластины, свободно опертой по контуру и нагруженной равномерно поперечной нагрузкой [5].
Решение задачи позволило получить выражение для минимальной толщины перфорированной матрицы, гарантирующей эксплуатацию технологической оснастки без разрушения:
11 > кг а л/т* Ц/ТотОк
где ат - предел текучести материала перфорированной матрицы, МПа; Ок. Ц - ширина стороны и длина рабочей камеры плунжерного пресса, м; тл - напряжение сдвига керамической массы при выдавливании, МПа; кг - коэффициент формы матрицы, равный ^96(1+ц)/л4 для квадратной матрицы; ^0.375(3+ц) - для круглой матрицы.
Решение задачи по определению условий, вызывающих разрушение круговой и прямоугольной (квадратной) правильно перфорированной пластины, свободно опертой по контуру и нагруженной равномерной поперечной нагрузкой, показало, что наиболее существенными параметрами, определяющими прочностные характеристики перфорированной матрицы, являются: степень перфорации, напряжение сдвига пластической массы, обуславливающее ее течение, предел текучести материала матрицы.
На рис. 3 представлены зависимости относительной толщины матрицы от степени перфорации ¥ и величины сдвигового напряжения экструдируемой массы для различных материалов, используемых при изготовлении технологической оснастки. Сплошными линиями показаны результаты расчета для квадратной перфорированной матрицы, пунктирными линиями - для круглой.
Рис. 3. Зависимость относительной толщины матрицы от сдвигового напряжения пластической массы и коэффициента ослабления напряжений для стали 50: 1 - V = 0,1; 2 - у = 0,2; 3 - у = 0,3; 4 - ц/ = 0,4.
\1А
Таким образом, исследование реологических характеристик масс при экструдировании сотовых материалов позволяет не только определить технологические условия, необходимые для получения изделия, но и рассчитать прочность перфорированных матриц с учетом реологических свойств экстру-дируемой массы. На основании проведенных расчетов спроектированы и изготовлены круглые, шестигранные и прямоугольные экструзионные прессформы (фильеры) для изготовления блоков сотовой структуры различной геометрической формы.
Как было указано ранее, материалы с регулярной структурой используются не только в качестве носителей катализаторов, когда формующим инструментом задается макроструктура конструкции, но и в качестве элементов фильтрующих конструкций, требующих создания регулярной бипористой структуры (макро- и микро-). На рис. 4 представлен лабиринтообразный корпус для фильтрации воды.
Технология изготовления конструкций с бипористой структурой также предполагала получение пластифицированной массы с заданными реологическими свойствами и формуемостью, необходимой для получения бездефектных изделий методом экструзии, проектирование формообразующего инструмента. Микроструктуру материала формировали путем введения в массу выгорающих добавок - фракционированного полиметилметакрилата (ПММА) с размером частиц 0,1-0,3 мм и технического углерода (сажи) с размером частиц 1 мкм. Оптимизация объемного наполнения пластифицированной керамической массы порообразователем показала, что образование пространственных структур сферического порообразователя (ПММА) в формовочной массе возможно при
Рис. 4. Лабиринтообразный корпус фильтра очистки воды.
111Т1 МММ ИМИ
его объемном содержании более 20%, а для надежного каналообразования при использовании в качестве порообразователя технического углерода его содержание должно быть не менее 40%.
Микроструктуру разрабатываемых материалов исследовали методом ртутной порометрии на образцах из алюмосиликатной керамики (АС) с различным содержанием порообразователя: 20. 30, 50%(вес.) ГТММА и 10% технического углерода. Согласно приведенным в таблице 1 данным размерный интервал образующихся в материале пор достаточно узкий. При увеличении содержания ПММА с 20% до 50% размеры пор возрастают с Юмкм до ЗОмкм, а общая пористость с 64% до 76%. При введении в исходную массу 10% технического углерода спеченный материал имеет размер пор 300-500 нм. Полученные данные говорят о возможности использования фракционированных поро-образователей различной дисперсности с целью регулирования микроструктуры разрабатываемых материалов в зависимости от потребностей заказчика.
Полученные ранее результаты по экструзии пластифицированных масс и создание микропористых материалов позволили разработать материалы и конструкции, обладающие одновременно регулярной микро- и макроструктурой [6]. Макроструктуры приведены на рис. 5.
Проблема создания новых материалов и конструкций связана не только с исследованием влияния структурных и технологических факторов, но и с разработкой и совершенствованием методов прогнозирования прочности конструкций.
В связи с этим было проведено теоретическое и экспериментальное исследование процессов разрушения исследуемых материалов на основе алюмосиликатной керамики и красножгущейся глины. Выбор материала обусловлен перспективностью его использования для изготовления изделий с регулярной
Таблица 1. Характеристики пористых керамических материалов
Состав сырья, содержание порообразователя, % (вес.) Средний размер частиц добавки, мкм Средний диаметр пор, мкм Пористость, %
АС + ПММА (20) 100- 300 9-11 64
АС + ПММА (30) -II- 20-22 71
АС + ПММА (50) -II- 28-30 76
АС + сажа (10) 1-2 0,3 - 0,5 29
Рис. 5. Изделия с регулярной структурой.
структурой, связанной с технологичностью, низкой стоимостью и доступностью.
Для прогнозирования эффективных упругих и прочностных характеристик, а также моделирования возможного характера развития зон разрушения регулярных структур использовался структурно-феноменологический подход механики неоднородных сред [7]. Установлено, что механизм разрушения и прочность элементов конструкций сложной структуры существенно зависят от вида напряженного состояния. Полученные в рамках структурно-феноменологического подхода решения краевой задачи микромеханики неоднородных сред позволили установить общие закономерности, связывающие упругие и прочностные характеристики, объемную долю микро- и макропор каркаса, схему нагружения с предельной несущей способностью конструкций, кинетикой образования и распространения в них несплошностей, а также с началом катастрофического разрушения.
Для подтверждения результатов теоретических расчетов были проведены механические испытания сплошных, решетчатых и бипористых образцов в ус-
ловиях одноосного сжатия (растяжения). Результаты механических испытаний и численного прогнозирования материалов с регулярной структурой приведены в табл. 2.
Механические испытания материалов с регулярной структурой показали, что прочностные характеристики красной глины позволяют использовать се в качестве сырья при производстве блочных носителей сотовой структуры; в процессе экструдирования формируется анизотропная структура керамических материалов - разрушающее напряжение, приложенное параллельно направлению экструзии, в 1,5 раза превосходит аналогичное напряжение, приложенное перпендикулярно направлению экструзии; результаты механических испытаний согласуются с данными теоретических расчетов.
Таблица 2. Результаты механических испытаний керамических образцов
Разрушающее напряжение а, № Тип об- Вид Направ- мп-ц в числителе - эксперимент, обр разца испы- ление уси- значения,в знаменателе - теоре-
тания лия тические
АС *. 1С ..." ■. ■ ■«; —я- Красная глина АС+ ПММА АС+ углерод
1 Цельный сжатие //экструзии 27 22 6 5
2 -II- -/А _1_экструзии 15 16 - -
3 Сотовый -II- II экструзии 7 19 2,3 1,4
6,1 14,1
4 -II- -Н- Хэкструзии м 4 - -
2,1 4,5
5 Цельный растяж. 0,8 1,8 - -
ВЫВОДЫ
1. Разработано и спроектировано технологическое оборудование для получения материалов со сложной регулярной структурой.
2. Определены условия получения разрабатываемых материалов, исходя из структурно-механических свойств пластифицированных масс.
3. Исследованы структурные характеристики микропористых материалов
и получены изделия с бшгористой регулярной структурой.
4. Представлены результаты теоретического прогнозирования упругих и
прочностных характеристик исследуемых материалов, согласующиеся с данными экспериментальных испытаний.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Применение оборудования, используемого на предприятиях технической химии, для получения материалов сотовой структуры / Матыгуллина Е. В.. Сиротенко Л.Д., Стрельников В. Н., Ханов A.M. // Материалы Второй Уральской конференции "Наукоемкие полимеры и двойные технологии технической химии", Пермь: Изд-во ПГТУ, 1997. С. 30.
2. Хан Ч.Д. Реология в процессах переработки полимеров. М.: Химия, 1979. 368 с.
3. Фадеева B.C. Формование структуры пластичных масс строительных материалов при машинной переработке. М.: Стройиздат. 1972. 220 с.
4. Матыгуллина Е.В., Сиротенко Л.Д., Анциферова И.В.. Ханов A.M. Исследование реологических свойств пластических масс и их значение при проектировании оборудования для экструдирования сотовых материалов // Проблемы современных материалов и технологий. Пермь, 1995. С. 68-79.
5. Ханов A.M., СиротенкоЛ.Д., Матыгуллина Е.В. Прочность матриц при экструдировании сотовых материалов // Вестник машиностроения, 1995. № 4. С. 3-6.
6. Ханов A.M., Матыгуллина Е.В., Сиротенко Л.Д., Онорин О. А. Способ получения сотового материала. // Заявка № 96108457104, положительное решение на выдачу патента на изобретение от 24 марта 1998 г. Приоритет 29.04.96 г.
7. Матыгуллина Е.В., Ханов A.M., Сиротенко Л.Д., Онорин O.A. Новые области применения материалов решетчатой структуры. // Кинетика и катализ, 1998. № 5. С. 683-685.
SUMMARY. Technologiy of materials and design production by extrusion method on the basis of oxide systems are being developed. Materials with regular micro- and macrostruc-ture have been produced. Numerical results for predicting and strength characteristics of designs with regular structure have been obtained and confirmed.
