CC BY
24
ОСОБЕННОСТИ СОЗДАНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАЗНОРОДНЫХ КОМПОНЕНТОВ
© Ключникова Н.В.*
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, г. Белгород
В работе рассмотрены особенности создания композиционных материалов с использованием металлического компонента. Рассмотрены проблемы совместимости металлической и неметаллической составляющих. Обоснован выбор компонентов и рассмотрены их основные характеристики.
Ключевые слова: материал, композиционный, совместимость, свойства, компонент, металл.
Технологии создания композиционных материалов строительного назначения развиваются в нескольких направлениях [1-22]. Одним из направлений создания композитов является совмещение металлического компонента с неметаллической составляющей.
Во всех композитах подобного рода выбор компонентов обусловливается получением их оптимальной физико-химической совместимости для достижения заранее заданных свойств. При этом рассматривают поверхность раздела компонентов как самостоятельный элемент структуры, в котором протекают процессы диффузии, растворения, перераспределения смесей, образования новых химических соединений. На границе раздела формируется связь между арматурой и матрицей, через которую передаются нагрузки. Прочностью данной связи определяется уровень свойств композиционного материала.
С физической точки зрения процесс соединения однородных и разнородных материалов сводится к образованию связей (слабых или прочных) между атомами, составляющими поверхность контактирующих тел. Согласно существующим суждениям процесс образования связи представляют как топохимическую реакцию, протекающую в две стадии:
1. Стадия возникновения и развития физического контакта.
2. Стадия химического взаимодействия.
Прочность соединения на контактной поверхности определяется величиной энергии межатомных связей, величиной площади физического контакта и длительностью контактирования. Длительность контактирования, с одной стороны, должна быть достаточной для возникновения прочных ад-
* Кандидат технических наук, доцент.
гезионных связей между компонентами, а с другой - ограничиваться началом интенсивного химического взаимодействия, которое может привести к образованию хрупких прослоек, способных снизить прочность композита.
В области высоких температур получения композиционных материалов большинство компонентов являются термодинамически неравновесными, способными вступать между собой в различные реакции на границе раздела фаз. Физико-химические явления, происходящие на поверхности раздела компонентов довольно сложны и в настоящее время еще плохо изучены. В основном, идет накопление экспериментальных данных по взаимодействию между наиболее перспективными металлами (алюминиевыми, магниевыми, никелевыми, титановыми и некоторыми другими) и волокнами - борными, углеродными, стеклянными. Причем, следует отметить, что в настоящее время наблюдается некоторое затишье в изучении композиционных материалов, а пик этих исследований приходится на 70-80-е годы, когда было получено большинство данных и начаты некоторые теоретические разработки как у нас в стране, так и за рубежом.
Одним из главных вопросов химии и технологии композитов с использованием металлической составляющей является вопрос о характере связи и силе сцепления между компонентами. Сцепление между фазами в неоднородных системах определяется соотношением их поверхностных энергий, величиной поверхностного натяжения между фазами и осуществляется как за счет сил Ван-дер-Ваальса между фазами, так и образования промежуточных соединений и твердых растворов. Для оценки возможного взаимодействия между фазами в композитах принято рассматривать смачивание между компонентами, характеризуемое краевым углом смачивания.
Таким образом, рассматривая смачивание как основную предпосылку образования прочной структуры, все композиты следует разделить на две основные группы: композиты, в которых неметаллическая фаза хорошо смачивается расплавленным металлом; композиты, в которых смачивание неметаллической фазы расплавленным металлом невелико.
Свойства композитов можно изменять, выбирая различные соотношения между металлическими и неметаллическими составляющими.
Определяющим фактором в подборе металлического компонента играет его способность смачивать неметаллическую составляющую. Смачивание может сопровождаться в композите химической реакцией между компонентами (они же являются фазами) с образованием новой фазы в виде нового соединения или твердого раствора. Чем лучше происходит смачивание, тем выше качество получаемого композита. Кроме того, наличие жидкой фазы способствует росту более крупных частиц за счет более мелких.
Перспективным направлением при разработке новых материалов в плане обеспечения долговечности, технологичности, высоких физико-механических характеристик, а также экологичности, является получение
композитов, в которых металл участвовал бы в процессах структурообра-зования, что создает возможность изменения в нужном направлении физико-механических и эксплуатационных свойств готовых материалов.
При разработке новых композитов нами выбраны глинистая составляющая, представленная монтмориллонитовой глиной и каолином и алюминий [23-26].
Применение глинистой составляющей позволяет значительно повысить прочностные свойства композиционных материалов при их эксплуатации при высоких температурах. Кроме того, глинистая составляющая способна в процессе обжига изделия привести к протеканию физико-химических реакций между компонентами, что позволяет получить материал с заданными эксплуатационными характеристиками. Необходимо отметить широкое распространение в природе, доступность и дешевизну применяемых глин по сравнению с другими оксидными системами, которые используют для получения композитных материалов.
Использование алюминиевого наполнителя позволило непосредственно придать композиционному материалу уникальные свойства этого металла, так как алюминий в высшей степени технологичен, хорошо воспринимает пластическую деформацию, позволяет изделию работать в условиях растягивающих и изгибающих напряжений, ударных нагрузок. Хотя алюминий мало прочен, но способен образовывать намного более прочные композиты, которые обладают не только более высокими физико-химическими и механическими характеристиками, но и имеют небольшой вес.
Кроме того, наряду с хорошими эксплуатационными и техническими характеристиками данные материалы являются частью существующих экосистем, поэтому композиты на их основе в наибольшей степени будут соответствовать современным экологическим требованиям.
Именно такие материалы позволят осуществить их массовое использование в вопросах разработки и получения новых композитов в соответствии с поставленными в работе целями и задачами.
Исходным сырьем для получения композитов являлись глуховецкий каолин, краснояружская глина и алюминий со следующими характеристиками:
не обогащенный каолинит содержит 45 % каолинита 60 % кварца, примеси биотита, магнезита, рутила. После обогащения каолин имеет следующий минералогический состав: 93-94 % каолинита, 1-2 % гидрослюды, 5 % кварца.
Каолинит - слоистый алюмосиликат, построенный из наложенных один на другой слоев. Каждый структурный слой каолинита (рис. 1) состоит из двух элементарных слоев - кремнекислородного тетраэдрическо-го и алюмокислородного октаэдрического, сочлененных в один слой так, что вершины октаэдров примыкают к вершинам тетраэдров. Каолинит характеризуется правильным чередованием слоев с периодом около 7А.
Экспериментально установлено, что для каолинита характерны незначительные изоморфные замещения. Ион кремния может частично замещаться ионом алюминия.
Для получения композита использован Глуховецкий каолин, имеющий следующий химический состав:
8Ю2 А1203 ТЮ2 Бе203 СаО MgO 803 К20 47,9 38,6 0,3 0,42 0,15 0,13 0,15 0,05
V
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
Т, °С
Рис. 1. Дифференциальнотермический анализ глуховецкого каолина
На термограмме Глуховецкого каолина (рис. 1) имеется один интенсивный эндотермический эффект и три экзоэффекта.
Эндоэффект, соответствующий 450-600 °С, обязан затрате тепловой энергии на дегидратацию каолинита.
При нагревании каолинита выше 800 °С наблюдается первый экзотермический эффект с максимумом примерно при 925 °С, который связан с образованием шпинели алюмосиликатного состава А14Б13012. Второй эк-зоэффект наблюдается при температурах 1150-1250 °С, третий при 12101320 °С. Эти экзотермические эффекты можно отнести к образованию муллита. Второй этап экзореакции состоит в завершении образования муллитовой фазы благодаря разрыву р-связей и переключению их в более термодинамически устойчивую (при создавшихся температурных условиях) систему -О-Б1 (А11У)-О-А1У1-О-.
Глуховецкий каолин отличаются высоким содержанием тонкодисперсных частиц, и имеет следующий зерновой состав: менее 1 мкм - 55-59 %, 1-5 мкм - 16-23 %, 5-10 мкм - 13-17 %.
Глуховецкий каолин среднепластичен с числом пластичности 7-9, спекается при температурах 1350-1400 °С. Цвет сухого глуховецкого каолина -71-80 % белизны.
Краснояружская глина представлена следующим минералогическим составом: 22-25 % каолинита, 43-45 % монтмориллонита, 37-38 % кварца, до 5 % гидроокислы железа.
Краснояружская глина, в отличие от каолина, сильно засорена сопутствующими примесями, что определяет ее низкую огнеупорность. Количество глинистого минерала монтмориллонита не превышает 50 %. Основными примесями являются кварцевый песок карбонаты, сульфаты, слюды, железистые соединения, органические примеси.
Термограммы краснояружской глины (рис. 2) характеризуются тремя эндоэффектами и двумя экзоэффектами. Первый значительный эндотермический эффект в интервале 70-150 °С появляется вследствие удаления межслоевой воды.
Второй эндотермический эффект возникает при 600-650 МС, который соответствует освобождению конституционной воды, после чего возникает третий эндоэффект при 830-930 °С, который связан с разрушением решетки и аморфизации монтмориллонита.
При температурах выше второй эндотермической остановки происходит постепенная кристаллизация новообразований. При нагревании глины выше температуры 900 °С происходят локальные образования расплавов, в дальнейшем содействующих образованию новых фаз: шпинели алюмо-силикатного состава Л14813012 и муллита, чему соответствуют экзотермические эффекты при температурах 980-1120 и 1100-1200 °С.
0
200
400
600
800 1000 1200
Т, °С
Рис. 2. Дифференциально-термический анализ краснояружской глины
Для получения керамометаллического композита применялась крас-нояружская глина, имеющая следующий химический состав:
8Ю2 А1203 ТЮ2 Бе203 СаО MgO 803 К20 65,8 19,5 4,2 0,98 0,5 0,18 0,62 7,42
Содержание в краснояружской глине тонкодисперсной фракции менее 1 мкм - 15-20 %, менее 10 мкм -30-40 %; крупнозернистых включений (размером частиц свыше 0,5 мм) до 5 %.
Монтмориллонитовые глины обладают умеренной пластичностью с числом пластичности 12-15, хорошей связующей способностью и небольшим коэффициентом чувствительности к сушке. Краснояружская глина относится к легкоплавким и неспекающимся глинам.
Алюминий с содержанием основного элемента по разности между 100 % и суммой контролируемых примесей не менее 99,95 % представлен следующим химическим составом (табл. 1).
Алюминий имеет кубическую гранецентрированную кристаллическую решетку; плотность 2700 кг/м 3 (при 20 °С), 2380 кг/м 3 (при 700 °С), средний коэффициент термического разрушения 24,0 град-1106 (20-100 °С), 25,28 град-1106 (20-300 °С), 27,9 град-1106 (20-500 °С), 28,5 град-1 106 (20600 °С); удельную теплоемкость 895,975 дж/(кгград) (при 20 °С); теплопроводность 209,34 вт/(мград); электропроводность 26-26,5 Ом"1см"1; температуру плавления 660 °С; прочностные характеристики достаточно низкие (на сжатие 40-50 МПа).
Таблица 1 Химический состав алюминия
Элемент Содержание элемента, мас., %
А1 99,95
Бе 0,01
Со 0,0002
Сг 0,0016
Си 0,01
К 0,0002
ы 0,0001
Мя 0,001
Мп 0,0006
№ 0,0001
N1 0,002
РЬ 0,0004
8п 0,0007
81 0,01
Т1 0,002
гп 0,003
8г 0,0005
В качестве модификатора поверхности глинистой составляющей использован шестиводный хлорид алюминия.
Основные свойства композита изучали физико-механическими и физико-химическими методами исследования. Проведены спектральные, электронно-микроскопические испытания, в ходе которых установлено, что в процессе обжига композита введение алюминия на стадии приготовления сырьевой смеси приводит к образованию алюмосиликатной шпинели состава Al3Si4O8, которая не образуется при обжиге только глин.
Кинетику спекания композита исследовали путем определения усадки образцов при изотермических условиях. Усадку композита при изотермических условиях определяли, используя каждый раз новый образец нагреванием при следующей температуре. Образцы обжигали в интервале температур 1000-1350 °С с шагом 50 °С, в каждой точке исследовали по 10 образцов. Время выдержки при изотермических условиях составляло 2 часа. Исследование кинетики спекания композита показало, что основное влияние на спекание исследуемых композитов оказывает содержание алюминия, который в составе масс способствует увеличению количества и снижению вязкости расплава.
Проведенные исследования позволяют утверждать, что алюминий участвует в стадиях структурообразования получаемого композита, что приводит к упрочнению и высоким эксплуатационным показателям материала.
Список литературы
1. Володченко, А.Н. Регулирование свойств ячеистых силикатных бетонов на основе песчано-глинистых пород / А.Н. Володченко, В.С. Лесовик, С.И. Алфимов, А.А. Володченко // Известия вузов. Строительство. - 2007. - № 10. - С. 4-10.
2. Володченко, А.Н. Влияние механоактивации известково-сапонитового вяжущего на свойства автоклавных силикатных материалов / А.Н. Володченко // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. -
2011. - № 3. - С. 13-16.
3. Володченко, А.Н. Взаимодействие мономинеральных глин с гидроксидом кальция в гидротермальных условиях / А.Н. Володченко // сб. науч. тр. Sworld. -
2012. - Т. 30. - № 3. - С. 35-37.
4. Володченко, А.Н. Оптимизация свойств силикатных материалов на основе известково-песчано-глинистого вяжущего / А.Н. Володченко, Р.В. Жуков, В.С. Лесовик, Е.А. Дороганов // Строительные материалы. - 2007. - № 4. - С. 66-69.
5. Володченко, А.Н. Реологические свойства газобетонной смеси на основе нетрадиционного сырья / А.Н. Володченко, В.С. Лесовик // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. - 2012. -№ 3. - С. 45-48.
6. Володченко, А.Н. Автоклавные ячеистые бетоны на основе магнезиальных глин / А.Н. Володченко, В.С. Лесовик // Известия вузов. Строительство. - 2012. -№ 5. - С. 14-21.
7. Володченко, А.Н. Влияние песчано-глинистых пород на оптимизацию микроструктуры автоклавных силикатных материалов / А.Н. Володченко // сб. науч. тр. Sworld. - 2012. - Т. 47. - № 4. - С. 32-36.
8. Володченко, А.Н. Вяжущее на основе магнезиальных глин для автоклавных силикатных материалов / А.Н. Володченко // сб. науч. тр. Sworld. - 2012. - Т. 30. -№ 3. - С. 38-41.
9. Володченко, А.Н. Автоклавные силикатные материалы на основе отходов горнодобывающей промышленности / А.Н. Володченко // сб. науч. тр. Sworld. -
2012. - Т. 47. - № 4. - С. 29-32.
10. Лесовик, В.С. Ячеистый бетон с использованием попутно-добываемых пород Архангельской алмазоносной провинции / В.С. Лесовик, А.Н. Володченко, С.И. Алфимов, Р.В. Жуков, В.К. Гаранин // Известия вузов. Строительство. - 2007. -№ 2. - С. 13-18.
11. Володченко, А.Н. Магнезиальные глины - сырье для производства автоклавных ячеистых бетонов / А.Н. Володченко //сб. науч. тр. SWorld. - 2013. -Т. 43. - № 1. - С. 3-7.
12. Володченко, А.Н. Глинистые породы - сырье для производства автоклавных ячеистых бетонов / А.Н. Володченко // сб. науч. тр. Sworld. - 2012. - Т. 26. -№ 2. - С. 11-14.
13. Володченко, А.Н. Влияние песчано-глинистых пород на пластичность газобетонной массы / А.Н. Володченко // сб. науч. тр. SWorld. - 2013. - Т. 43. - № 1. -С. 7-10.
14. Володченко, А.Н. Нетрадиционное сырье для автоклавных силикатных материалов / А.Н. Володченко // Технические науки - от теории к практике. - 2013. -№ 20. - С. 82-88.
15. Володченко, А.Н. Влияние глинистых минералов на свойства автоклавных силикатных материалов / А.Н. Володченко // Инновации в науке. - 2013. - № 21. -С. 23-28.
16. Володченко, А.Н. Влияние состава сырья на пластическую прочность газобетонной смеси / А.Н. Володченко // сб. науч. тр. SWorld. - 2013. - Т. 39. - № 2. -С. 45-49.
17. Володченко, А.Н. Повышение морозостойкости силикатных материалов на основе нетрадиционного сырья / А.Н. Володченко // Инновации в науке. - 2013. -№ 24. - С. 24-30.
18. Володченко, А.Н. Влияние песчано-глинистых пород на морозостойкость автоклавных силикатных материалов / А.Н. Володченко // сб. науч. тр. SWorld. -
2013. - Т. 50. - № 3. - С. 8-13.
19. Володченко, А.Н. Объемное окрашивание автоклавных силикатных материалов глинистыми породами / А.Н. Володченко // сб. науч. тр. SWorld. - 2014. -Т. 19. - № 1. - С. 18-24.
20. Володченко, А.Н. Природный пигмент для окрашивания автоклавных силикатных изделий / А.Н. Володченко // Технические науки - от теории к практике. -
2014. - № 31. - С. 96-102.
21. Володченко, А.Н. Изучение продуктов взаимодействия магнезиальной глины с известью при автоклавной обработке / А.Н. Володченко // Инновации в науке. - 2014. - № 30-1. - С. 89-95.
22. Володченко, А.Н. Идентификация продуктов автоклавной обработки вяжущего на основе магнезиальных глин / А.Н. Володченко // сб. науч. тр. SWorld. -2014. - Т. 19. - № 1. - С. 24-29.
23. Ключникова, Н.В. Влияние пористости на свойства керамометаллических композитов / Н.В. Ключникова сб. науч. тр. SWorld по мат.международной науч.-практ. конф. - 2012. - Т. 6. - № 3. - С. 41-45.
24. Klyuchnikova, N. V. The effect of metal filler on structure formation of composite materials / N.V. Klyuchnikova, E.A. Lumar' // Glass and Ceramics. - 2005. - Т. 62. -№ 9-10. - С. 319-320.
25. Klyuchnikova, N.V. Production of metal composite materials / N.V. Klyuchnikova, E.A. Lumar' // Glass and Ceramics. - 2006. - Т. 63. - № 1-2. - С. 68-69.
26. Klyuchnikova, N.V. Interaction between components at metal composites production / N.V. Klyuchnikova // European Journal of Natural History. - 2007.
