CC BY
17ü
ЭКСПЕРТ:
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА
2020. № 6 (9)
УДК 666.3
DOI 10.24411/2686-7818-2020-10056
МОДЕЛИРОВАНИЕ МЕЖФАЗНОГО ПЕРЕХОДНОГО СЛОЯ В КЕРАМИЧЕСКИХ МАТРИЧНЫХ КОМПОЗИТАХ ДЛЯ УМЕНЬШЕНИЯ ДЕФЕКТОВ СТРУКТУРЫ
В СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛАХ
© 2020 А.Ю. Столбоушкин, О.А. Фомина*
Показана актуальность расширения сырьевой базы производства строительных керамических материалов за счет использования техногенного и некондиционного природного силикатного сырья. Рассмотрено формирование переходного слоя на границе раздела между оболочкой (матрицей) и ядром (агрегированным заполнителем) керамического материала с матричной структурой. Представлена концепция изготовления многослойного образца, моделирующего на макроуровне переход между оболочкой и ядром керамического матричного композита. Дано соотношение сырьевых материалов ядра и оболочки для приготовления различных слоев модельного образца с использованием техногенного и природного сырья. Отмечена зависимость свойств композиционных материалов от термодинамической, кинетической и механической совместимости компонентов при взаимодействии на границе раздела фаз.
Ключевые слова: керамический матричный композит, переходный межфазный слой, многослойный керамический образец.
Введение. В современных геополитических условиях для самосохранения и развития России жизненно необходимы новые драйверы комплексного развития ее территории [1]. Перспективы урбанизации и создания эшелонированной многоуровневой инфраструктуры требуют разработки новых строительных технологий и материалов с высокими эксплуатационными характеристиками. При этом, керамические изделия, проверенные временем, в настоящее время и в обозримом будущем доминируют в общей структуре производства мелкоштучных стеновых материалов. Растущий дефицит сырья для традиционных технологий изготовления высококачественных керамических изделий требует новых научных решений в области составов и технологии строительной керамики [2-3]. С учетом необходимости ресурсосбережения [4] важными стратегическими аспектами развития строительного материаловедения являются разработки теоретических решений создания композиционных материалов и технологий с использованием промышленных отходов [5].
На сегодняшний день накоплены сотни миллионов тонн промышленных отходов, прежде всего горнодобывающего и энергетического комплекса, и проблема их утилизации является одной из первоочередных [6]. Как правило, более 50-60 % в составе полезных ископаемых приходится на алюмосиликаты, которые при переработке и обогащении далее не используются и идут в отвал. С учетом химико-минералогической составляющей целесообразна их строительно-технологическая утилизация, которая позволит сохранить природные ресурсы и улучшить экологическую обстановку [7]. Таким образом, для производства строительных керамических материалов актуальным является расширение сырьевой базы за счет использования техногенного и некондиционного природного силикатного сырья, при этом, традиционные технологии не решают задачи изготовления материалов с высокими эксплуатационными характеристиками.
Постановка проблемной задачи. Фундаментальные исследования показывают, что
* Столбоушкин Андрей Юрьевич (stanyr@list.ru) - доктор технических наук, профессор; Фомина Оксана Андреевна (soa2@mail.ru) кандидат технических наук, доцент; оба - Сибирский государственный индустриальный университет (РФ, Кемеровская область, Новокузнецк)
Ê
для обеспечения высокой структурной прочности (коэффициента конструктивного качества) керамических материалов необходима целенаправленная пространственная организация фаз внутри материала. В результате создаются различные группы керамических матричных композитов (Ceramic Matrix Composites), наполненных и армированных различными компонентами в виде дисперсных частиц, волокон, листов или агрегированных материалов. Благодаря синергизму за счет комбинации керамической основы с арматурой и (или) заполнителем матричные композиты обладают часто уникальными свойствами, например: высокой прочностью, особой твердостью, эффективностью и др. Во многом эти свойства композиционных материалов определяются межфазовым взаимодействием компонентов, которое зависит от их термодинамической, кинетической и механической совместимости. При обжиге формирование переходного слоя между матрицей и заполнителем, состоящего из продуктов обеих фаз, способствует снижению термических напряжений на границе раздела фаз и объединению компонентов системы в единый матричный композиционный материал.
Формирование научной идеи. В научной литературе имеются данные по технологической реализации идеи керамических матричных композитов из промышленных отходов и природного силикатного сырья различными способами [2; 8-9]. В результате проведенных ис-
следований [10] авторами сформулирована научная идея, согласно которой отходы агрегируются в гранулы с последующими покрытием поверхности гранул глинистым или силикатным легкоплавким материалом, формованием изделий, их сушкой и обжигом. При обжиге происходит трансформация матричной структуры сырца в керамический матричный композит. На границе контакта гранул активированная глинистая составляющая шихты продуцирует расплав, который внедряется в периферийную зону ядра и после кристаллизации образует матричную структуру, состоящую из ядер, покрытых оболочкой из продуктов спекания легкоплавкой компоненты. В переходном слое композита из продуктов матрицы и гранулированного заполнителя формируется стеклокристаллическая микроструктура, повышающая прочностные характеристики матрицы. На макроуровне в керамическом материале возникает прочный пространственный ячеистозаполненный каркас. При этом купирование дислокаций, возникающих при сверхкритических напряжениях внутри материала, границами раздела сред ядро-оболочка обеспечивает более высокие показатели прочности при изгибе и морозостойкости керамических матричных композитов.
Результаты исследований и их обсуждение. В соответствии с научной идеей авторами разработаны модель формирования структуры керамических матричных композитов из техногенного сырья (рис. 1, а) и спо-
Рис. 1. Модель формирования структуры керамических матричных композитов (а) и матричная структура керамики из гранулированных шихт на основе шламистых железорудных отходов (б): 1 - матрица (наполненное связующее); 2 - ядро (гранулированный заполнитель); 3 - переходный слой между матрицей и ядром; 4 - поры
ф
ЭКСПЕРТ:
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА
2020. № 6 (9)
собы получения стеновых керамических изделий с высокими показателями прочности и морозостойкости [10].
На примере шламистых железорудных отходов (или отходов углеобогащения) матричная структура керамического материала (рис. 1, б) обеспечила высокую прочность и морозостойкость изделий (прочность при сжатии кирпича формата П составила 15-25 МПа, морозостойкость более 35-50 циклов) при содержании глинистой фракции в шихте не более 20-25 % по массе [10]. Полученный керамический композит имеет полиструктурное строение: матрица, сформированная из глины, представляет собой наполненное связующее и образует систему первого уровня, а гранулы
из отходов выступают в роли заполнителя и образуют систему второго уровня (рис. 2, а).
Для получения бездефектных и прочных строительных материалов необходимо установить и оптимизировать смесевые и технологические факторы разработанной керамической технологии [11]. Как уже было отмечено, важным критерием здесь является механическая совместимость матрицы и ядер керамического композита. Для дифференцированного исследования их фазового состава и структуры были разработаны модель формирования переходного слоя из продуктов взаимодействия ядрооболочка и план-схема модельного образца на границе раздела фаз матричного композита (рис. 2).
Рис. 2. Модель формирования переходного слоя из продуктов взаимодействия оболочки и ядра керамического матричного композита (а) и план-схема модельного образца на границе раздела фаз с использованием шламистых железорудных отходов (б): 1 - наполнитель матрицы (кристаллическая фаза); 2 - пора; 3 - не агрегированные частицы; 4 - укрупненные агрегаты частиц; 5 - кластеры; 6 - матрица (оболочка); 7 - переходная зона со стороны оболочки; 8 - центральная область переходной зоны; 9 - переходная зона со стороны ядра; 10 - ядро
б)
В соответствии с план-схемой (рис. 2, б) была разработана модель многослойного керамического образца на границе ядрообо-лочка матричного композита и в лабораторных условиях изготовлены модельные образцы цилиндры из техногенных отходов, глины и их смесей (рис. 3).
ной прогнозируемой прочности матрицы [11].
Заключение. Проведенные экспериментальные исследования показали, что механические и физико-химические процессы, протекающие на границе раздела фаз материала, в значительной мере определяют экс-
Рис. 3. Модель (а), внешний вид (б) и поперечное сечение (в) многослойного керамического образца из отходов углеобогащения, глины и их смесей: 1 - ядро; 2 - переходная зона со стороны ядра; 3 - центральная область переходной зоны; 4 - переходная зона со стороны оболочки;
5 - матрица (оболочка)
Методика изготовления многослойных образцов изложена в работе [11]. Количество и состав сырьевых компонентов слоев приведены в табл. 1.
плуатационные свойства керамических матричных композитов. Выравнивание усадочных деформаций подбором состава сырьевых компонентов позволяет снизить риски разру-
Таблица 1. Состав сырьевых компонентов слоев модельного образца
Наименование сырья Содержание компонента в шихте в %, номер слоя образца
1 2 3 4 5
Техногенные отходы 100 75 50 25 -
Глина (плавень) - 25 50 75 100
С использованием модельных образцов разработана методология комплексного исследования переходного слоя ядрооболоч-ка строительных керамических матричных композитов [12]. Комплекс методов включает в себя дифференцированное исследование фазового состава, микроструктуры и физико-механических свойств слоев, имитирующих границу раздела сред в композиционном материале. Дилатометрические исследования материала и измерение усадки слоев при обжиге позволяют «спроектировать» условия для достижения максималь-
шения композиционного материала на границе «заполнительматрица при внешних воздействиях. Установлено взаимодействие матричной оболочки с силикатными и оксидными фазами ядра, что обеспечивает высокую прочность композита после обжига.
Библиографический список
1. Лосев К.С. Экологические проблемы и перспективы устойчивого развития России в XXI веке. М.: Космо-Информ, 2001. - 399 с.
2. Моделирование структуры и оценка прочности строительной керамики из грубозер-
нистых масс / В.И. Верещагин, А.Д. Шильцина, Ю.В. Селиванов // Строительные материалы. -2007. - № 6. - С. 6568.
3. Керамические камни компрессионного формования на основе опок и отходов углеобогащения / В.Д. Котляр [и др.] // Строительные материалы. - 2013. - № 4. - С. 4448.
4. Заседание Государственного совета по вопросу об экологическом развитии Российской Федерации в интересах будущих поколений. 27 декабря 2016 года. 11К1_: http://www.kremlin.ru/ events/president/news/53602
5. Чернышов Е.М. К проблеме развития исследований и разработок в области материаловедения и высоких строительных технологий : основные акценты // Достижения и проблемы материаловедения и модернизации строительной индустрии: материалы XV Академических чтений РААСН Международной научно-технической конференции Казань: КГАСУ, 2010. - Т. 1. - С. 89.
6. Экология, научные достижения и инновации в производстве строительных материалов на основе и с применением техногенного сырья / Р.З. Рахимов, У.Х. Магдеев, В.Н. Ярмаковский // Строительные материалы. - 2009. - № 12. - С. 811.
7. Экологические, теоретические и практические аспекты использования алюмосодержа-щих отходов в производстве керамических материалов различного назначения без применения природного традиционного сырья / В.З. Аб-драхимов [и др.] // Экология и промышленность России. - 2013. - № 5. - С. 2832.
8. Mecholsky J.J. Evaluation of mechanical property testing methods for ceramic matrix composites // American society-bulletin. 1986. Vol. 65, № 2. Р. 315322.
9. Использование отходов обогащения руд для получения строительной керамики с повышенными физико-техническими свойствами / О.В. Суворова [и др.] // Труды Ферсмановской научной сессии ГИ КНЦ РАН: сб. науч. тр. - Апатиты, 2017. - № 14. - С. 263266.
10. Столбоушкин А.Ю. Керамические стеновые материалы матричной структуры на основе неспекающегося малопластичного техногенного и природного сырья / А.Ю. Столбоушкин, Г.И. Бердов, В.И. Верещагин, О.А. Фомина // Строительные материалы. - 2016. - № 8. - С. 1923.
11. Phase Composition of the CoreShell Transition Layer in a Construction Ceramic Matrix Structure Made from Non-Plastic Raw Material with Clay Additives / A.Yu. Stolboushkin, V.I. Vereshchagin, O.A. Fomina // Glass and Ceramics, Vol. 76. Pp. 1621. DOI 10.1007/s10717-019-00124-3.
12. Столбоушкин А.Ю. Метод комплексного исследования переходного слоя ядрооболочка в керамических матричных композитах полусухого прессования // Строительные материалы. -2019. - № 9. - С. 2835.
Благодарности. Результаты исследования получены при поддержке стипендии Президента России, исследовательский проект SP-4752.2018.1.
Поступила в редакцию 25.10.2020 г.
ЭКСПЕРТ:
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА
2020. № 6 (9)
MODELING OF AN INTERPHASE TRANSITION LAYER IN CERAMIC MATRIX COMPOSITES FOR REDUCING STRUCTURAL DEFECTS IN BUILDING MATERIALS
It has been shown the urgency of expanding the raw material base for the production of building ceramic materials through the use of technogenic and substandard natural silicate raw materials. It was presented the formation of a transition layer at the interface between the shell (matrix) and the core (aggregated filling material) of a ceramic material with a matrix structure. The concept of manufacturing a multilayer sample simulating the transition at the macro level between the shell and the core of the ceramic matrix composite is presented. It is presented the ratio of the raw materials of the core and shell for the preparation of various layers of the model sample using technogenic and natural raw materials. It has been noted the dependence of the properties of composite materials on the thermodynamic, kinetic and mechanical compatibility of components during interaction at the interface.
Keywords: ceramic matrix composite, interfacial transition layer, multilayer ceramic sample.
* Stolboushkin Andrey Yuryevich - Doctor of Sciences, Professor; Fomina Oksana Andreevna - Candidate of Sciences, Associate Professor; both - Siberian State Industrial University (RF, Kemerovo region, Novokuznetsk).
© 2020 A.Yu. Stolboushkin, O.A. Fomina*
Received for publication on 25.10.2020
