CC BY
13СОЗДАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ КЕРАМИКИ НА ОСНОВЕ МИНЕРАЛЬНО- СЫРЬЕВЫХ
РЕСУРСОВ
Бекенова Г.И.
Аспирант
Кыргызско-Узбекский Международный университет имени Б. Сыдыкова
Ош, Киргизия Туйчиева И. Бакалавриат
Ошский Государственный университет
Ош, Киргизия Ташполотов Ы.
доктор физико-математических наук, профессор Ошский Государственный университет
Ош, Киргизия Садыков Э.
кандидат технических наук, доцент Ошский Государственный университет
Ош, Киргизия
CREATION OF FUNCTIONAL CERAMICS BASED ON MINERAL RESOURCES
Bekenova G.,
Aspirant
Kyrgyz-UzbekInternational University named after B. Sydykov,
Osh city, Kyrgyz Republic Tuychieva I., Undergraduate
Osh State University, Osh city, Kyrgyz Republic
Tashpolotov Y.,
Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Professor Osh State University, Osh city, Kyrgyz Republic
Sadykov E.
Candidate technical Sciences, Associate Professor Osh State University, Osh city, Kyrgyz Republic DOI: 10.5281/zenodo.6575869
Аннотация
В настоящей работе разработаны состав и технологии получения композиционной керамики на основе глинистых, и порошкообразных минерально-сырьевых ресурсов Южного региона КР. Объектами исследования являются глины Телейкенского и оксид кремний Озгурского месторождений юга Кыргызстана. Показано, что введение в матрицу наполнителя(оксида кремния) в количестве 6 мас. % и обжиг образца при температуре 10000С обеспечивает среднюю плотность керамики в 1956 кг/м3, в то же время водопоглащаемость ККМ уменьшается с 15,7 % до 8,7%, а прочность на сжатие становиться максимальной и составляет 43.6 МПа. Выявлено, что при выборе глинистого сырья и наполнителя для создания конкретной керамики необходимо провести оценки физико-химических свойств глинистой породы и оксида кремния (гранулометрический, вещественный и минералогический составы, примесные составляющие и др.) Установлено, что применение в составе керамической композиции в качестве связующего компонента оксида кремния позволяет получить по полусухой технологии прочный ККМ при температуре обжига 1000 °С.
Abstract
In this work, the composition and technologies for producing composite ceramics based on clay and powdered mineral resources of the southern region of the Kyrgyz Republic have been developed. The objects of study are the clays of the Toloikonskoye and silicon oxide of the Ozgurskoye deposits in the south of Kyrgyzstan. It is shown that the introduction of a filler (silicon oxide) into the matrix in an amount of 6 wt. % and firing the sample at a temperature of 10000C provides an average ceramic density of 1956 kg/m3, at the same time, the water absorption of the CMC decreases from 15.7% to 8.7%, and the compressive strength becomes maximum and amounts to 43.6 MPa. It was revealed that when choosing a clay raw material and a filler for creating a specific ceramic, it is necessary to evaluate the physicochemical properties of clay rock and silicon oxide (granulometric, material and mineralogical compositions, impurity components, etc.) silicon oxide component makes it possible to obtain a durable CMC using a semi-dry technology at a firing temperature of 1000 °C.
Ключевые слова: композицинная керамика, глина, оксид кремния, прочность керамики, водопоглащаемость, наполнитель.
Keywords: composite ceramics, clay. silicon oxide, ceramic strength, water absorption, filler.
Введение.
Разработка и исследование новых композиционных керамических материалов (ККМ) с заданными физико-химическими свойствами является актуальной задачей в связи с многофункциональностью их применения в электротехнике, электронной промышленности, медицине, аддитивных технологиях и в качестве упаковочных материа-лов[1,2]. В настоящее время требуются керамические материалы с высокими значениями электрической прочности, электро- и теплопроводности, которые можно получить на основе модифицирования композитной смеси путем наполнения их различными наполнителями, что является одним из основных способов создания новых композиционных керамических материалов с заданными свойствами. Целенаправленное управление физико-технологическими свойствами ККМ осуществляется за счет изменения состава, набора компонентов и условий их смешения [1-3].
В число наиважнейших задач научных исследований являются разработка новых композиционных материалов с прогнозируемыми свойствами, отвечающих требованиям к современным керамическим изделиям различного назначения и использование минерально-сырьевых и природных ресурсов КР для производства ККМ.
Особенностью сырьевой базы южного региона является сложный вещественный состав, что определяет трудности использования такого сырья в пластических технологиях и обусловливает необходимость корректировки составов керамических масс с использованием различных доступных наполнителей[3]. Решение поставленной задачи позволит создавать высококачественные ККМ на основе низкосортных глинистых и горных пород, что обеспечит вовлечение в производство огромных ресурсов местного сырья.
Известно, что керамические материалы используются для изготовления изоляторов и других изделий разнообразного назначения, например, тонкие пластины из алюмооксидной керамики широко применяются в качестве подложки для микропроцессоров и схем, поскольку такая керамика имеет хорошую долговременную электрическую и
химическую стабильность при воздействии высокочастотных токов.
При этом расположение наполнителей в керамической матрице и характер проводимости определяются, прежде всего, с количественной долей частиц, участвующих в прохождении тока, контактного сопротивления между элементами, и числа контактов в проводящей цепочке. А число контактов уменьшается с ростом дисперсности частиц, Расположение частиц наполнителя в виде цепочек, ориентированных параллельно направлению электрического тока, является самым эффективным, поскольку большая часть частиц участвует в прохождении тока через ККМ[1-3].
В соответствии с поставленной задачи объектами исследования являются глины, оксиды алюминия и кремния различных месторождений юга Кыргызстана. Целью настоящей работы разработка составов и технологии получения композиционной керамики на основе глинистых, горных пород Южного региона КР.
Известно, что керамика состоит из нескольких фаз: кристаллическая, стекловидная и газовая. Кристаллическая фаза керамики определяет характерные свойства материала, например, электрические, магнитные, температурный коэффициент линейного расширения, механической прочности и др. Стекловидная фаза в керамическом материале играет роли связующегою и связана со следующими свойствами керамики: температура спекания, степень пластичности керамической массы при формовании, плотность, степень пористости и гигроскопичность материала. Газовая фаза, имеющиеся в закрытых порах, приводит к снижению механической и электрической прочности, диэлектрической потери керамических изделий [1,2].
Экспериментальная часть и результаты исследований
Подготовку проб глиныиз Телейкенского, оксиды кремния Озгурского месторождений к ана-лизам[4-6] производили по ГОСТ 2642.0-86. Для исследования, были подготовлены и изучены восемь шихт образцов. На основе данных микроскопических снимков(рис.1.) установили, что примесные элементы относятся к минеральным фазам.
Рис. 1. Порошкообразный оксид кремния, образующих «заполнитель» керамического композита.
Матрица композиционного керамического ма- температурной обработке. Изучены оптимальный териала формировался из глинистого сырья, а в интервал спекания образцов на основе объемной качестве наполнителя использовали порошки усадке, водопоглощения и плотности образцов и оксида кремния Озгурского месторождения КР. определена прочность, полученной ККМ. Далее подготовленные образцы подвергались к Полученные данные представлены в таб. 1 и 2.
Таблица 1.
Физико-механические параметры керамических образцов из глины на основе оксида кремния Озгурского месторождения в при различных температурах. Массовая концентрация оксида кремния в образце
составляло 9%.
№,п/п Характеристики Температура обжига, 0С
500 600 700 800 900 1000 1100 1200
1. Усадка при обжиге, об.% 26 33 45 47 48 47 41,5 47
2. Плотность, г/см3 1812 1880 1901 1915 1935 1956 1942 1938
3. Водопоглощение,% 17,0 9.7 6,7 4,1 3,1 2,6 1,8 1,5
4. Пористость, % 10,6 10,1 7,8 5,0 4,7 4,5 3,4 3,3
Таблица 2.
Физико-механические характеристики ККМ в зависимости от концентрации оксида кремния. _Температура обжига 1000 0С.__
№ п/п Массовое содержание оксида кремния в ККМ, % Прочность ККМ при сжатии, МПа Средняя плотность ККМ, кг/м3 Водопоглощ-е, %
1 0 18,6 1765 15,7
2 2 25,5 1850 13,3
3 4 42,3 1935 10,5
4 6 43,2 1956 8,7
5 8 41,6 1903 6,1
6 10 26,1 1862 4,9
На основании полученных экспериментальных данных, представленные в таб. 1 и 2 можно сделать следующие выводы:
1. При выборе глинистого сырья и наполнителя для создания конкретной керамики необходимо провести оценки физико-химических свойств глинистой породы и оксида кремния (гранулометрический, вещественный и минералогический составы, примесные составляющие и др.)
2. Введение наполнителя(оксида кремния) в количестве 6 мас. % в матрицу и обжиг образца при температуре 10000С обеспечивает среднюю плотность керамики в 1956 кг/м3, в то же время во-допоглащаемость ККМ уменьшается с 15,7 % до 8,7%, а прочность на сжатие становиться максимальной и составляет 43.6 МПа.
3. Применение в составе керамической композиции в качестве связующего компонента оксида
кремния позволяет получить по полусухой технологии прочный ККМ при температуре обжига 1000 °С.
В дальнейших исследованиях намечается получить электропроводящие керамические композиции, на основе добавления небольшого количества (0,1-0,5 вес.%) низкоразмерных частиц углерода(электропроводящая сажа), полученный из биоресурсов КР и оксида алюминия из базальта. Такой подход является реальным способом в производстве электропроводящих керамических композиций для электротехнической отрасли.
Список литературы
1. Шульга, А.В. Композиты, ч. 1. Основы материаловедения композиционных материалов / А.В. Шульга - М.: НИЯУ МИФИ, 2013. - 96 с.
2. Шевченко В.Я., Баринов С.М. Техническая керамика/ В.Я. Шевченко, С.М. Баринов - М.: Наука, 2002.- 192с.
3. Крок, П. Современные композиционные материалы / Под ред. П. Крока, Л. Броумана. Пер. с англ. под ред. А.А. Ильюшина и Б.Е. Победри. - М.: Мир, 1978. - 568 с.
4. Пат. 2160240 РФ. Сырьевая масса для изготовления керамических изделий / А. И. Каймаков, Н. Е. Вороновский, А. Н. Тюрин, В. Г. Хозин. Опубл. 10.12.2000.
5. Мурзахалилов К.С., Матмусаев Б.С., Анапи-яев К.Т.Ташполотов Ы. Разработка технологии получения электроизоляционной керамики на основе базальта// Науки и новые технологии, 2001, №1, с.26-29.
6. Ташполотов Ы., Мурзахалилов К.С., Матмусаев Б.С., Солтонова М.А., Анапияев К.Т. Самоорганизация диссипативных систем: глина + базальт // Науки и новые технологии, 2001, №1, с.24-26.
