Научная статья на тему 'Структурно-текстурные особенности и свойства теплоэффективного композиционного материала'

Структурно-текстурные особенности и свойства теплоэффективного композиционного материала Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
102
34
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
СТЕКЛОПОРИСТЫЙ КОМПОНЕНТ / СТРУКТУРА / ПОРИСТОСТЬ / НОВООБРАЗОВАНИЯ / КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ / МИКРОАРМИРОВАНИЕ / COMPONENT FROM FOAMGLASS / STRUCTURE / POROSITY / NEW GROWTHS / A CRYSTALLIZATION / MICROREINFORCING

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Ивлева Ирина Анатольевна

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.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

STRUCTURAL AND TEXTURAL FEATURES AND PROPERTIES OF HEATEFFICIENT COMPOSITE

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.

Текст научной работы на тему «Структурно-текстурные особенности и свойства теплоэффективного композиционного материала»

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.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

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.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.