CC BY
57
НОВЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ КАОЛИНИТОВЫХ И МОТМОРИЛЛОНИТОВЫХ ГЛИН
Лымарь Елена Анатольевна
канд. техн. наук, науч. сотр., ОАО «Российские космические системы», г. Москва
E-mail: 4494.55@mail. ru
NEW COMPOSITE MATERIALS BASED ON KAOLIN AND MONTMORILLONITE CLAYS
Elena Lymar
scientist, candidate of engineering sciences, OJSC ".Russian space systems ", Moscow
АННОТАЦИЯ
Получен материал, сочетающий в себе повышенную механическую прочность, малую открытую пористость, гидрофобность и пониженную хрупкость.
ABSTRACT
A material having increased mechanical toughness, low open porosity, hydrophobicity and lowered fragility has been obtained.
Ключевые слова: композиционный; материал; алюминий; свойства
Keywords: composite; material; aluminum; characteristics
Создание эффективных и высокоэкономичных материалов — одна из основных задач современного строительного материаловедения. Наилучшим образом эта задача решается на пути создания композиционных материалов, в которых совместная работа разнородных составляющих дает эффект, равносильный получению нового материала, свойства которого качественно и количественно отличаются от свойств каждого из компонентов.
Одним из таких перспективных композиционных строительных материалов являются композиты, полученные на основе глин [1—9, 20].
Актуальность применения композиционных материалов, сочетающих пластичный металлический наполнитель и твердые прочные неметаллические
армирующие компоненты, определяются совокупностью физико -механических и эксплуатационных свойств, так как, с одной стороны, пластичный металлический наполнитель позволяет изделию работать в условиях растягивающих и изгибающих напряжений, ударных нагрузок, повышенных температур, а, с другой стороны, жесткий каркас из неметаллических гранул обеспечивает высокую прочность при сжатии.
Нами предложена идея получения керамических композиционных материалов на основе глин, с высоким содержанием металлического наполнителя методом полусухого прессования с последующей сушкой и обжигом [10—19]. В качестве матрицы использовали каолинитовые монтмориллонитовые глины. Керамика характеризуется низкой прочностью при растяжении в сочетании с высоким модулем Юнга, низкой ударной вязкостью. При высоких температурах одной из причин выхода из строя изделий из керамики является растрескивание. Введение металлического наполнителя позволяет получить интересное сочетание важнейших эксплуатационных характеристик — высокой прочности (включая диапазон высоких температур), усталостной прочности и др. Основные преимущества таких композиционных материалов связаны с высокими температурами эксплуатации (что характерно для керамики) при одновременном значительном повышением прочностных свойств.
При выборе металлического наполнителя предпочтение было отдано алюминию, так как он относительно дёшев, кроме того, обладает хорошей пластичностью и податливостью, низкой температурой плавления (660°С). Металлический наполнитель способен в процессе обжига изделия привести к протеканию физико-химических реакций между компонентами, что позволяет получить материал с заданными эксплуатационными характеристиками. Получаемый композит принципиально отличается от известных ранее. Физико -химические процессы и структурные изменения, происходящие в керамических массах в присутствии металлического наполнителя в процессе их изготовления,
модификации и термического обработки, отражаются на структуре и свойствах получаемого материала.
В основе получения таких материалов лежат процессы кристаллизации и роста кристаллов, роста зёрен, твёрдо-жидкофазового спекания. Подбор соответствующих условий нагрева, термообработки, обжига позволил регулировать изменение структуры и свойств керамических композиционных материалов в широких пределах.
Для обеспечения совместимости матрицы с металлическим наполнителем и создания однофазной структуры получаемого композита проводили активацию поверхности глин механической обработкой, термической и химической модификацией. Так как расплав алюминия плохо совмещается с частицами глины, то для улучшения смачиваемости в глину вводили поверхностно активные вещества (ПАВ) в количестве 0,1—1 %. Химическая модификация глин ионами А13+ из водных растворов и термомеханическая модификация алюминиевой матрицы с одновременным диспергированием позволила увеличить содержание алюминия в композите до 20 %, при этом избежать выплавов металлов и разрыхления структуры прослойками нестабильного оксида алюминия, снизить температуру образования жидкой фазы на 80—120°С, а также сместить максимумы на кривых вязкости в область более низких температур.
Введение в небольших количествах добавок, которые химически модифицируют, как металл, так и глину, в значительной мере повлияло на уменьшение межфазной энергии; способствовало образованию прочной связи между разными по химической природе частицами через промежуточный слой.
Материалы на основе керамической матрицы и алюминиевого наполнителя готовили путём смешивания модифицированных компонентов с последующим прессованием, сушкой и обжигом. Качество формования зависело от влажности наполнителя и давления прессования. При уменьшении влажности и увеличении давления наблюдалось расслоение образцов за счёт упругих деформаций, возникающих после снятия давления и извлечения его из
формы. Оптимальные результаты были получены при влажности 6—7 % и давлении 2—6 МПа.
При обжиге особое внимание уделялось подбору оптимального режима увеличения температуры, выдержке и остыванию. Так, нужно заметить, что в интервале температур 100—600°С необходимо увеличение температуры в щадящем режиме, это связано с удалением остатков физически связанной воды и выгоранию органических примесей исходного материала. При этом возникают внутренние напряжения, которые могут явиться результатом появления микро- и макротрещин в образце.
При обжиге модифицированных керамических масс, содержащих алюминиевый наполнитель, происходят сложные физико-химические превращения. В результате термического разрушения минералов и частичного окисления алюминия появляются свободные оксиды. При этом образуются промежуточная мелкодисперсная фаза — твердый раствор.
При температуре 580—590°С происходит модификационное превращение в-кварц в а-кварц, что приводит к увеличению объёма и потреблению теплоты, также при охлаждении данный процесс имеет обратное значение. Это необходимо учитывать при выборе оптимального режима обжига.
В температурном интервале от 600°С и выше часть алюминия окисляется с образованием оксида алюминия, который участвует в структурообразовании композита (за счёт взаимного растворения и последующих химических реакций). Между оставшимся не окисленным алюминием и модифицированной поверхностью наполнителя возникает физическая адгезия, обусловленная взаимодействием электронов на атомном уровне.
В интервале температур от 800—1200°С процесс спекания протекает с участием жидкой фазы, реагирующей с твердой. Обогащение расплава ионами
_1_3
Al приводит к ускорению объемной диффузии и кристаллизационных процессов. Образование алюмосиликатов протекает интенсивно уже при температуре 900°С. Расплавленный алюминий в составе масс способствует увеличению количества и снижению вязкости расплава.
В процессе спекания композита происходит ряд физических превращений, к которым можно отнести: объёмную диффузию, пластическое течение, поверхностную диффузию и испарение-конденсацию. Так поверхностная диффузия, испарение и конденсация способствует сфероидизации пор, увеличению контактов между частицами, что приводит к упрочнению (но не уплотнению) материала. Зависимость физико-механических свойств композиционных материалов от температуры обжига и состава композита представлена в таблице.
Получаемые композиционные материалы несколько уступают в прочности монолитным алюминиевым блокам при температуре 20°С Однако металлокомпозиты сохраняют прочностные характеристики при высоких температурах, что важно в условиях знакопеременных температур, тогда как прочность алюминиевых блоков снижается при тех же температурах. Сохранение объясняется наличием упрочняющей фазы — высокодисперсных частиц наполнителя и оксида алюминия. Дисперсные частицы наполнителя служат как бы барьерами, препятствующими рекристаллизационным процессам в металлическом наполнителе.
Таким образом, в результате исследований получен материал, сочетающий в себе повышенную механическую прочность (за счёт свойств металлического наполнителя), малую открытую пористость (за счёт плотной упаковки частиц при прессовании с оптимальной влажностью и в результате последующих физико-химических процессов, протекающих во время обжига), гидрофобность и пониженную хрупкость.
Список литературы:
1. Алфимов С.И., Жуков Р.В., Володченко А.Н., Юрчук Д.В. Техногенное сырье для силикатных материалов гидратационного твердения // Современные наукоемкие технологии. — 2006. — № 2. — С. 59—60.
2. Володченко А.А. Формирование микроструктуры безавтоклавных силикатных материалов на основе песчано-глинистых пород // Инновации в науке. — 2012. — № 14—1. — С. 61—67.
3. Володченко А.Н., Лесовик В.С., Алфимов С.И., Жуков С.И. Попутные продукты горнодобывающей промышленности в производстве строительных материалов // Современные наукоемкие технологии. — 2005. — № 10. — С. 79—79.
4. Володченко А.Н., Жуков Р.В., Алфимов С.И. Силикатные материалы на основе вскрышных пород Архангельской алмазоносной провинции // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки. — 2006. — № 3. — С. 67—70.
5. Володченко, А.Н., Лесовик В.С., Алфимов С.И., Володченко А.А. Регулирование свойств ячеистых силикатных бетонов на основе песчано -глинистых пород // Известия вузов. Строительство. — 2007. — № 10. — С. 4—10.
6. Володченко А.Н., Жуков Р.В., Лесовик В.С., Дороганов Е.А. Оптимизация свойств силикатных материалов на основе известково-песчано-глинистого вяжущего // Строительные материалы. — 2007. — № 4. — С. 66—69.
7. Володченко А.Н., Лесовик В.С. Повышение эффективности производства автоклавных материалов // Известия вузов. Строительство. — 2008. — № 9. — С. 10—16.
8. Володченко А.Н., Лесовик В.С. Силикатные автоклавные материалы с использованием нанодисперсного сырья // Строительные материалы. — 2008. — № 11. — С. 42—44.
9. Володченко, А.Н. Особенности взаимодействия магнезиальной глины с гидроксидом кальция при синтезе новообразований и формирование микроструктуры // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. — 2011. — № 2. — С. 51—55.
10. Ключникова Н.В., Юрьев А.М., Лымарь Е.А. Перспективные композиционные материалы на основе металлической матрицы и
неметаллического наполнителя // Успехи современного естествознания. —
2004. — № 2. — С. 69—69.
11. Ключникова Н.В., Лымарь Е.А., Юрьев А.М., Проблемы совместимости керамической матрицы и металлического наполнителя при изготовлении композитов строительного назначения // Строительные материалы. —
2005. — № 11. — С. 54—56.
12. Ключникова Н.В., Лымарь Е.А. Получение металлокомпозиционных материалов // Стекло и керамика. — 2006. — № 2. — С. 33—34.
13. Ключникова Н.В. Взаимодействие между компонентами при изготовлении металлокомпозитов // Фундаментальные исследования. — 2007. — № 12— 1. — С. 95—97.
14. Ключникова Н.В. Принципы создания керамометаллического композита на основе глин и металлического алюминия // Естественные и технические науки. — 2012. — № 2(58). — С. 450—452.
15. Ключникова Н.В. Термомеханическое совмещение компонентов при создании керамометаллических композитов // Сборник научных трудов Б'ОгМ по материалам международной научно-практической конференции. — 2012. — Т. 6. — № 2. — С. 65—69.
16. Ключникова Н.В. Изучение взаимодействия между компонентами при создании керамометаллических композиционных материалов // Сборник научных трудов Swoгld по материалам международной научнопрактической конференции. — 2011. — Т. 10. — № 4. — С. 5—8.
17. Ключникова Н.В. Керамометаллические композиционные материалы с высоким содержанием алюминия // Современные проблемы науки и образования. — 2011. — № 6. — С. 107—107.
18. Ключникова Н.В. Влияние пористости на свойства керамометаллических композитов // Сборник научных трудов З'ОгМ по материалам международной научно-практической конференции.— 2012. — Т. 6. — № 3. — С. 41 — 45.
19. Ключникова Н.В., Лымарь Е.А., Приходько А.Ю. Керамические композиционные материалы строительного назначения с использованием металлического наполнителя // Известия высших учебных заведений. Строительство. — 2005. — № 7. — С. 62—65.
20. Лесовик В.С., Володченко А.Н., Алфимов С.И., Жуков Р.В., Гаранин В.К.
Ячеистый бетон с использованием попутнодобываемых пород
архангельской алмазоносной провинции // Известия высших учебных заведений. Строительство. — 2007. — № 2. — С. 13—18.
