Огнеупорные материалы на основе искусственной керамической вяжущей суспензии карбидокремниевого состава Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Дороганов В.А., канд. техн. наук, доц., Дороганов Е.А., канд. техн. наук, доц., Евтушенко Е.И., д-р техн. наук, проф., Перетокина Н. А., канд. техн. наук, доц., Бедина В. И., м.н.с., Данилова О. Ю., аспирант, Гоголевская О. В., магистрант Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова

ОГНЕУПОРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ ИСКУССТВЕННОЙ КЕРАМИЧЕСКОЙ ВЯЖУЩЕЙ СУСПЕНЗИИ КАРБИДОКРЕМНИЕВОГО

СОСТАВА*

naukaei@mail.ru

В ходе исследований показана возможность получения искусственных керамических вяжущих (ИКВ) карбидокремниевого состава, характеризующихся высокой объемной концентрацией твердой фазы (Су = 0,60-0,63) и значительной полидисперсностью от 30-60 нм до 10-20 мкм. С использованием ИКВ получены композиционные материалы как пластическим способом формования с пониженной влажностью 10-12%, так и полусухим: подобраны оптимальные составы и характеристики формования. Полученные огнеупорные материалы характеризуются свойствами, аналогичными ре-кристаллизованым карбидкремниевым изделиям.

Ключевые слова: композиционные материалы, карбид кремния, искусственные керамические вяжущие, нанокомпонент, давление прессования, прочность.

Непрерывное совершенствование высокотемпературных технологий вызывает необходимость расширения ассортимента и создания новых огнеупорных материалов. Поэтому разработка и внедрение высокоэффективных материалов, надежно работающих в экстремальных условиях, представляет собой весьма актуальную задачу.

Создание высококачественных огнеупоров нового поколения невозможно без управления процессами структурообразования на микро- и наноуровне. Прикладной интерес к наносисте-мам обусловлен возможностью создания оптимальных (рациональных) структур композитов за счет значительной их модификации при переходе на наноуровень, сопровождающейся как принципиальным изменением свойств известных материалов, так и возможностью создания нового поколения композитов. Однако, применение нанообъектов в существующих технологиях сопряжено с определенными трудностями, заключающимися в том, что при достижении частицами размеров, близких к наноуровню, значительно снижается плотность их упаковки, а спекание сопровождается большими усадками [1].

В области создания высокоэффективных огнеупорных композитов большой интерес вызывают карбидокремниевые материалы [2, 3]. Одним из перспективных методов получения карборундовых композитов, по нашему мнению, является технология, основанная на использовании искусственных керамических вяжущих сус-

пензий карбида кремния, полученных по специальной технологии ВКВС, разработанной Ю.Е. Пивинским [4, 5].

Исследования, проведенные ранее [6-8], показали возможность получения искусственного керамического вяжущего на основе БЮ, которое характеризовалось тиксотропно-дилатантным характером реологического поведения, высокой объемной концентрацией твердой фазы (Су = 0,60-0,63) и значительной полидисперсностью (Кп = 5,5), при этом содержание наночастиц, синтезируемых в процессе специального помола, составило около 1%.

Из анализа микрофотографий частиц твердой фазы ИКВ карбида кремния (рис. 1), полученных с помощью растрового электронного микроскопа «Мка-З» следует, что крупные частицы, размером более 10-20 мкм, окружены многочисленными дисперсными частицами диаметром до 5 мкм, что подтверждает достаточно высокую полидисперсность системы.

Детальное изучение коллоидного компонента ИКВ, выделенного методом центрифугирования (рис. 2.), показало, что этой фракции представлены частицы приемущественно от 30 до 60 нм.

При формировании структуры огнеупорных материалов важную роль играет зерновой состава заполнителя. В этой связи при разработке композитов на основе ИКВ карбида кремния на первом этапе был подобран оптимальный 3-х фракционный зерновой состава заполнителя в соответствии с табл. 1.

Рис. 1. Микрофотографии частиц твердой фазы ИКВ на основе карбида кремния

М|(?АЗ ТЕЭСАЫ БЕМ НУ: 7.0 кУ ^Я): 5.02 г 5т

\Zlew 11о1 с!: 1.95 ут Ре* БЕ

[.Г. Шухова БЕМ МАО 142 кх

Рис.

2. Микрофотографии высушенных частиц коллоидной фракции ИКВ на основе карбида кремния после

центрифугирования

Таблица 1

Зерновой состав исследуемого заполнителя на основе 81С

Номер состава Содержание по фракциям, %

менее 0,5 мм 0,5-2,5 мм 2,5-5,0 мм

1 100 - -

2 - 100 -

3 - - 100

4 20 20 60

5 20 40 40

6 20 60 20

7 40 20 40

8 40 40 20

9 60 20 20

Подбор проводился по двум параметрам: коэффициенту упаковки (Куп) и коэффициенту уплотнения (Купл) [9]. Оптимальным зерновым

составом является состав № 7 (табл. 1., рис. 3), который характеризуется максимальным значением коэффициента уплотнения (Куп= 0,57).

Получение композиционных материаов на основе карбида кремния осуществлялось двумя способами формования: пластическим и полусухим (статическим). Для этого на основе оптимального зернового состава заполнителя (состав 7, табл. 1) были исследованы различные массы на основе ИКВ карбида кремния в соответствии с табл. 2 и 3.

На основе составов, представленных в табл. 2, готовилась пластичная масса, из которой были отформованы образцы-цилиндры диаметром и высотой 50 мм по специальной методике, детально описанной в работе [9].

0,45 -

6 7 8 9 Номер зернового состава

Рис. 3. Диаграммы изменения коэффициента уплотнения и коэффициента упаковки заполнителя в зависимости от разного фракционного состава (номер составов см. табл. 1)

Выбор интервала концентрации ИКВ для масс полусухого формования основан на том, что при содержании связующего менее 30 % образцы характеризовались очень низкой прочность после формовки, а при концентрации более 50 % - материал деформировался под действием собственного веса. Из полусухих масс (табл. 3.) с влажностью 7-8 % методом статического прессования были отформованы образцы (кубы с ребром 30 мм) при давлении от 5 до 100 МПа.

Высушенные при 100-110°С образцы подвергались обжигу при температурах 1000-1300°С (для образцов пластического формования) и 1300°С (для образцов полусухого формования).

Составы для пластического формования

Таблица 2

№ состава. Содержание глины ЛТ-1, % Содержание заполнителя, % Содержание ИКВ Б1С, % Оптимальная формовочная влажность массы, %

1 50 50 0 21,0

2 40 50 10 16,1

3 30 50 20 13,8

4 20 50 30 12,8

5 10 50 40 11,5

6 0 50 50 10,1

Таблица 3

Составы для полусухого формования

№ состава Содержание компонентов, %

ИКВ карбида кремния Заполнитель Б1С

1 30 70

2 40 60

3 50 50

Анализ представленных зависимостей основных физико-механических характеристик образцов пластического формования от содержания ИКВ карбида кремния (рис. 4) показал, что повышение содержания суспензии Б1С до 40-50 % в массе приводит к снижению на 13-28 % открытой пористости образцов. При этом также наблюдается значительный рост предела прочности при сжатии (более чем в 2 раза). Таким образом, оптимальным составом вяжущего является 10 % ЛТ-1 и 40 % ИКВ карбида кремния, при этом материал характеризуется незначительной воздушной усадкой 0,5-0,7 %, пониженной открытой пористостью 20 % и максимальной механической прочностью 55-57 МПа. Данный материал, исходя из данных представ-

ленных в [3], по своим физико-механическим характеристикам аналогичен рекристаллизован-ным карбидокремниевым изделиям.

Из анализа физико-механических характеристик образцов полусухого формования, представленных на рис. 5 следует, что содержание вяжущего в формовочной массе оказывает существенное влияние на процесс формования и физико-механические характеристик материалов после обжига. При повышении давления прессования у всех составов наблюдается понижение значений открытой пористости. Следует обратить внимание на тот факт, что каждой концентрации ИКВ соответствует свое оптимальное максимальное давление прессование. Так, при содержание 30 % ИКВ, оптимальное давление составляет 80-90 МПа, при 40 % ИКВ давление снижается примерно на 10-20 МПа и составляет 70-80 МПа, а при концентрации ИКВ 50 % - 4050 МПа. Таким образом, минимальным значение оптимального давления формования соответствует составу с 50 % ИКВ, при этом пористость материала составляет 18 % и предел прочности при сжатии 65-68 МПа.

30

& 28

-п-■-■-

10 20 30 40

Содержание ИКВ карбида кремния в массе, %

Я 20----_

10 20 30 40

Содержание ИКВ карбида кремния в массе, %

Рис. 4. Зависимость открытой пористости (а) и предела прочности при сжатии (б) образцов пластического формования, термообработанных при различных температурах, от содержания ИКВ карбида кремния в формовоч-

ной массе

£

л 26

22----

и 60 С

60 70 80 90 100 Давление прессования,%

60 70 80 90 100 Давление прессования, %

Рис. 5. Зависимость открытой пористости (а) и предела прочности при сжатии (б) образцов карбидокремниево-го состава от давления прессования при различной концентрации ИКВ

Анализ представленных экспериментальных данных показал возможность получения карбидокремниевых композиционных материалов с использованием ИКВ как пластическим способом с пониженной влажностью 11-12 %, так и полусухим способом при давлении 50 МПа. При этом данные композиты характеризуются пределом прочности при сжатии 55-68 МПа и открытой пористостью 18-20 %.

*Исследования проводились в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы и Про-

граммы стратегического развития БГТУ им. В.Г. Шухова на 2012-2016 годы.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Пивинский Ю.Е. Керамические и огнеупорные материалы. Избранные труды. Т. 2. -С-Петербург: Стройиздат СПб, 2003. 688 с.

2. Кайнарский И.С., Дегтярева Э.В. Карборундовые огнеупоры. М.: Металлургия, 1963. 252 с.

б

а

34

50

32

40

22

10

б

а

30

28

50 -

24

40 -

а30 -

20 -

18

3. Гнесин Г.Г. Карбидокремниевые материалы. М.: Металлургия, 1977. 216 с.

4. Пивинский Ю.Е., Дякин П.В. Реологические и физико-химические свойства ВКВС и керамобетонов в системе Al2O3-SiO2-SiC // Фундаментальные исследования и новые технологии в строительном материаловедении: Тезисы. докл. всес. конф. Белгород. 1989. Ч. 2. С. 34.

5. Разработка и исследование композиционных огнеупорных материалов на основе модифицированных дисперсных систем / В.А. Дороганов, Е.А. Дороганов, Н.С. Бельмаз, К.В. Тимошенко, Ю.Н. Трепалина, Н.А. Перетокина, И.И. Немец, Е.И. Евтушенко, А.С. Зуев // Новые огнеупоры. 2009. № 11. С. 35-41.

6. Development and study of composite refractory materials based on modified dispersed sys-

tems / V.A. Doroganov, E.A. Doroganov, N.S. Bel'maz, K.V. Timoshenko, Yu.I. Trepalina, N.A. Peretokina, I.I. Nemets, A.S. Zuev, E.I. Evtushenko // Refractories and Industrial Ceramics. 2009. Volume 50, Number 6. р. 431-437.

7. Трепалина Ю.Н., Дороганов В.А. Высококонцентрированные керамические вяжущие суспензии на основе карбида кремния // Новые огнеупоры. 2009. № 8. С. 50-52.

8. Trepalina, Yu.I., Doroganov V.A. Highly concentrated ceramic binder suspensions based on silicon carbide // Refractories and Industrial Ceramics. 2010. Volume 51, Number 4. р. 302-304.

9. Дороганов В.А., Евтушенко Е.И. Огнеупорные керамобетоны: монография. Saarbrucken: LAB LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co.KG, 2011. 188 с.