CC BY
36
СТРУКТУРНО-ТЕКСТУРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ И СВОЙСТВА
ТЕПЛОЭФФЕКТИВНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА
Ивлева Ирина Анатольевна
канд. техн. наук, доцент БГТУ им В.Г. Шухова, г. Белгород
E-mail: 4494.55@mail. ru
STRUCTURAL AND TEXTURAL FEATURES AND PROPERTIES OF
HEATEFFICIENT COMPOSITE
Ivleva Irina
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of BSTU named after
V.G. Shukhov, Belgorod
АННОТАЦИЯ
Введение отходов производства пеностекла в глиносодержащие смеси способствует формированию в композиционном материале прочнопористой фрагментарной структуры. Рассмотрено влияние текстурно-структурных особенностей композитов на их физико-механические свойства.
ABSTRACT
Introduction of waste products of a foamglass in clay-containing mixes promotes formation in composite of strong and cellular fragmentary structure. Influence of textural and structural features of composites on their physicomechanical properties is considered.
Ключевые слова: стеклопористый компонент; структура; пористость; новообразования; кристаллизация; микроармирование.
Keywords: component from foamglass; structure; porosity; new growths; a crystallization; microreinforcing.
Направленный синтез в процессах силикатообразования обеспечивает получение изделий с заданной структурой [7—21, 26—28]. Сложившаяся гетерофазная система определяет прочностные, теплофизические и
эксплуатационные свойства композиционных материалов.
Одним из распространенных методов создания теплоэффективных материалов является поризация их структуры. Введение пористых
заполнителей в отличие от наиболее распространенных методов поризации повышает прочность изделий до 20 МПа. Весьма эффективный метод повышения прочности материала — микроармирование его структуры [1—
5, 24, 25]
В данной работе представлены результаты исследований теплоэффективных композиционных материалов с применением стеклопористого компонента (СПК — отход производства пеностекла), выполняющего роль в глиносодержащих смесях порообразуюещего, отощающего и спекающего компонента [2, с. 96]. Химический состав СПК представлен, мас. %: БЮ2 — 71,6; А1203 — 2,7; Бе203 — 0,3; СаО — 8,2; М^О — 1,1; К20+№20 — 14,7; Б03 — 0,4. Оптимальный размер зерен СПК от 0,1...2,5
-5
мм, насыпная плотность 260 кг/м [22, с. 8].
Закономерности влияния СПК на структурообразование и свойства композитов рассматривали в системах СПК-мономинеральные и СПК-полиминеральные глины.
Исходные компоненты шихты имеют неодинаковый минералогический и гранулометрический состав. Чибисовская глина — каолин-гидрослюдистая, Шебекинская — монтмориллонит-гидрослюдистая с высоким содержанием мусковита (25 мас.%), Городищенская — монтмориллонит-гидрослюдистая.
Количество СПК в шихте с мономинеральными и полиминеральными глинами варьировалось от 0 до 40 мас. % (табл. 1).
Таблица 1.
____________________Составы и шифры смесей________________________
Компоненты Шифр смеси и содержание компонентов, мас. %
0 к 4 к 0 м 4 м 0 г. с 4 г. с
Каолин 100 60
Бентонит 100 60
Г идрослюда 100 60
СПК 0 40 0 40 0 40
0 ш 4 ш 0 г 4 г 0 ч 4 ч
Шебекинская глина 100 60
Г ородищенская глина 100 60
Чибисовская глина 100 60
СПК 0 40 0 40 0 40
Процессы минералообразования в системах СПК-мономинеральные, СПК-полиминеральные глины исследованы при температуре обжига 950, 1050 и 1150оС. Рентгенофазовым и оптически визуальным методами анализа были установлены температуры кристаллизаций новообразований в системах СПК-мономинеральные и СПК-полиминеральные глины.
По трехкомпонентной диаграмме состояния СаО-А12О3-БЮ2 теоретически были определенны температура начала появления расплава, количества и состав жидкой и кристаллических фаз. Минералогический состав образцов, обожженных при 950 и 1050ОС, и данные, полученные по диаграммам состоянии, представлены в (табл. 2.)
Таблица 2.
Новообразования композитов
Глины Шифр смеси Температура обжига, °С Новообразования и их обозначения Теоретический фазовый состав продукта обжига смесей (определен по диаграмме состояния системы СаО-AІ2Oз-SiO2)
Кварц (Кв) р) £ т и ч Я б о н и и ы 1 е 'о т = § и ч = р н 1 е Анортит (An) ч о т и X о т и Я ч ч 0 в 1 СП § ч = и = о и я | т и ч ч 1 с н = т я § е и Каолинит (К) Иллит (Ил) Монтмориллонит (м) Мусковит (Мус)
Температура появления жидкой фазы, оС Состав кристаллических фаз
Тр An Вол Му л
Мономинеральные 0 к 0 о + + 1345 ++ + — +++
4 к + + + + С л 1345 + ++ — ++
0 м 0 о + + + + 1345 ++ + — ++
4 м + + + + + 1165 + + ++ —
0 г с о о + + 1345 + ++ — ++
4 + + + + 1165 ++ +++ + —
г с
(и 3 К Л р 1 0 ш 1050 + + + 1345 ++ + — +
4 ш + + + + 1165 ++ ++ + —
0 г 1050 + + 1345 ++ + — +
к К 2 К Ч О С 4 г + + + + 1165 ++ + + —
0 ч 1050 + С л 1345 ++ — — +
4 ч + + + 1165 +++ ++ + —
- отсутствует; + мало, ++ много, +++очень много
Методом оптической и сканирующей электронной микроскопии в микроструктуре образцов (4 к, 4 м, 4 гс) мономинеральных глин с СПК идентифицированы: стеклофаза высокой изотропности и новообразования в виде игольчатых и призматических кристаллов. Структура композитов представлена фрагментами, состоящих из сферических пор, размером менее 0,1 до 300 мкм, контактного слоя и межфрагментарного пространства (рис. 1).
Рисунок 1. Микрофотографии фрагментарной микроармированной пористой структуры (Тобж — 1050°С): а — состав (4 гс); б — состав (4 к): 1 — фрагмент структуры; 2 — поры; 3 — кристаллизация межфрагментарного пространства; 4 — контактный слой микроармированный игольчатыми кристаллам
Новообразования пронизывают стеклофазу и образуют войлоковидную сетку, микроармирующую внутреннюю поверхность пор (рис. 2), контактный слой между стеклопористым компонентом и глинистой матрицей (рис. 1, б), а также межфрагментарное пространство (рис. 1, а, б).
Фрагментарная пористая структура микроармированная новообразованиями анортита, волластонита, диопсида, а-тридимита улучшает физико-механические свойства керамики по сравнению с контрольными составами (0 к), (0 м), (0 гс).
Рисунок 2. Микрофотография образца композита (Тобж — 1050°С): рост кристаллов в поре состава (4 м)
При повышении температуры обжига от 950 до 1150°С в образцах состава (2 к), (4 к), (2 м), (4 м), (2 гс), (4 гс) наблюдается интенсивная кристаллизация анортита при одновременном растворении кварца в расплаве стекла. Анортит способствует уменьшению огневой усадки композитов. Оксиды СаО, М^О, К2О, №2О, вносимые стеклопористым компонентом, ослабляют кристаллизацию кристобалита, образующегося из продуктов деструкции монтмориллонита и уменьшают расширение образцов состава (4 м). В образцах гидрослюды с СПК (4 гс) прочность на сжатие составила 70 МПа в результате совместной кристаллизации анортита, а-тридимита и диопсида. .
Анализируя расположение точек составов (табл. 1 ) на диаграмме
состояния системы Са0-А1203-8і02 можно сделать вывод: введение пеностекла снижает температуру появления расплава на ~180°С, изменяет состав и соотношение кристаллических фаз. Кристаллизация Р-волластонита создает условия для увеличения количество анортита. Начало взаимодействия между глинистыми минералами и частицами пеностекла зависит от температуры деструкции кристаллической решетки соответствующего минерала, которая повышается в ряду бентонит-гидрослюда-каолин.
Стеклопористый компонент, в композициях с полиминеральными глинами, способствует растворению кварца и кристобалита в структуре изделий, повышает количество кристаллических фаз, не склонных к полиморфным превращениям при соответствующих температурах обжига. Структура материалов также фрагментарна, микроармирована кристаллами а-тридимита, анортита, Р-волластонита, диопсида, гематита, что улучшает физико-механические свойства композитов. Образцы из Чибисовской глины состава 4ч после обжига при 1050°С показали прочность на сжатие — 32 МПа, прочность на изгиб — 6,3 Мпа [1, с. 24], коэффициент теплопроводности —
0,370 Вт/м-К при плотности 1360 кг/м3 [4, с. 64].
Согласно минералогическому расчету, оптимальное соотношение в Шебекинской глине породообразующих минералов, мас. %: монтмориллонит
— 20, глауконит — 15, мусковит — 25, кварц — 32, кальцит — 9 [5, с. 38], обеспечивает в композиции с СПК высокие физико-механические свойства композитов состава 4 ш: прочность на сжатие — 44 МПа, прочность на изгиб
— 12 МПа, коэффициент теплопроводности — 0,268 Вт/м-К при плотности
-5
1030 кг/м , вследствие интенсивной кристаллизации анортита, Р-волластонита, а-тридимита, диопсида.
Таким образом, выявлено активирующее влияние стеклопористого компонента на процессы фазо- и структурообразования при обжиге композиционного материала, состоящего из глин различного минералогического состава и стеклопористого компонента. Показано, что введение стеклопористого компонента в состав глиняных масс способствует
формированию прочнопористой фрагментарной структуры. В процессе спекания происходит микроармирование внутренней поверхности пор, контактного слоя и межфрагментарного пространства удлиненными неизометрическими кристаллами анортита, волластонита, альбита, диопсида, а-тримидита, муллита.
Список литературы:
1. Беседин П.В., Ивлева И.А., Мосьпан В.И. Теплоэффективный стеновой материал // Стекло и керамика. — 2005. — № 6. — С. 24—25.
2. Беседин П.В., Ивлева И.А., Мосьпан В.И. Перспективы использования отходов производства пеностекла в строительной керамике // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. — 2004. — № 8. — Ч. VI. — С. 95—98.
3. Беседин П.В., Ивлева И.А., Мосьпан В.И. Термические исследования сырьевых шихт композиционных стеновых материалов // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2005. — № 10. — С. 31— 34.
4. Ивлева И.А. Влияние пеностекольного компонента на пористость и физико-механические свойства теплоэффективной керамики // Сб. науч. трудов Б'ОгШ по матер. международ. научно-практич. конф. — Одесса. — 2012. — Т. 6. — С. 60—65.
5. Ивлева И.А. Управление качеством теплоэффективной керамики путем регулирования структурообразования // Сб. науч. трудов Б'ОгШ по матер. международ. научно-практич. конф. — Одесса. — 2012. —Т. 6. —С. 37— 41.
6. Ивлева И.А., Шиманская М.С., Немец И.И. Технология получения керамзита из слабовспучивающегося глинистого сырья // Стекло и керамика. —2011. — № 11. - С. 17—18.
7. 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.
8. Ключникова Н.В. Взаимодействие между компонентами при изготовлении металлокомпозитов // Фундаментальные исследования. — 2007. — № 12-
1. — С. 95—97.
9. Ключникова Н.В. Принципы создания керамометаллического композита на основе глин и металлического алюминия // Естественные и технические науки. — 2012. — № 2 (58). — С. 450—452.
10. Ключникова Н.В. Керамометаллические композиционные материалы с высоким содержанием алюминия // Современные проблемы науки и образования. — 2011. — № 6. — С. 107—107.
11. Ключникова Н.В. Изучение взаимодействия между компонентами при создании керамометаллических композиционных материалов // Сборник научных трудов Sworld по материалам международной научнопрактической конференции. — 2011. — Т. 10. — № 4. — С. 5—8.
12. Ключникова Н.В. Термомеханическое совмещение компонентов при создании керамометаллических композитов // Сборник научных трудов Sworld по материалам международной научно-практической конференции.
— 2012. — Т. 6. — № 2. — С. 65—69.
13. Ключникова Н.В. Влияние пористости на свойства керамометаллических композитов // Сборник научных трудов Sworld по материалам международной научно-практической конференции. — 2012. — Т. 6. — № 3. — С. 41—45.
14. Ключникова Н.В., Лымарь Е.А. Получение металлокомпозиционных материалов // Стекло и керамика. — 2006. — № 2. — С. 33—34.
15. 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.
16. 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.
17. Юлючникова Н.В., Лымарь Е.А., Юрьев А.М. Строительные материалы на основе металлической матрицы и неметаллического наполнителя // Успехи современного естествознания. — 2003. — № 12. — С. 79—82.
18. Елючникова Н.В., Лымарь Е.А., Юрьев А.М. Особенности создания композитов строительного назначения на основе металлической матрицы и неметаллического наполнителя // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2003. — № 5. — С. 61— 63.
19. Илючникова Н.В., Лымарь Е.А., Юрьев А.М. Перспективность использования металло-композитов на предприятиях энергетического профиля // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2004. — № 8. — С. 26— 28.
20. Kлючниковa Н.В., Лымарь Е.А. Kонструкционнaя металлокерамика - один из перспективных материалов современной техники // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2005. — № 9. — С. 111— 114.
21. Kлючниковa Н.В., Лымарь Е.А. Влияние металлического наполнителя на стадии структурообразования композиционных материалов на основе керамической матрицы // Стекло и керамика. — 2005. — № 10. — С. 19— 22.
22. Немец И.И., Ивлева И.А. Прочнопористая стеновая керамика // Изв. Вузов. Строительство. — 2009. —№ 8. — С. 37—41.
23. Пат. 2231505 Российская Федерация, МПK7 С04 В 33/02. Способ изготовления стеновых керамических изделий / Беседин П.В., Ивлева И.А., Мосьпан В.И.; заявитель и патентообладатель Беседин П.В., Ивлева И.А., Мосьпан В.И.; заявл. 18.07.2003; опубл. 27.06.2007, Бюл. № 18. — 10 с.
24. Besedin P.V., Ivleva I.A., Mos’pan V.I. Heat-efficient composite wall material // Glass and Ceramics. — 2005. — Т. 62. — № 9—10. — С. 87—88.
25. Ivleva I.A., Shimanskaya M.S., Nemets I.I. Technology for producing keramzit from low expandale clay // Glass and Ceramics. — 2012. — C. 1—3
26. Klyuchnikova N.V. Interaction between components at metal composites production // European Journal of Natural History. — 2007. № 6. — C. 110—
111.
27. Klyuchnikova N.V., Lumar’ E.A. Production of metal composite materials // Glass and Ceramics. — 2006. — T. 63. — № 1—2. — C. 68—69.
28. Klyuchnikova N.V., Lumar’ E.A. The effect of metal filler on structure formation of composite materials // Glass and Ceramics. — 2012. — T. 62. — № 3—4. — C. 319—320.
