Технология экструзии наноструктурированных керамических масс на вакуумном поршень-прессе Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 666.3

раздел ИННОВАЦИИ

ТЕХНОЛОГИЯ ЭКСТРУЗИИ НАНО СТРУКТУРИРОВАННЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ МАСС НА ВАКУУМНОМ ПОРШЕНЬ-ПРЕССЕ

© У. Ш. Шаяхметов1, С. М. Усманов2, А. Р. Мурзакова1*, В. В. Чудинов2, Э. А. Хайдаршин2, И. А. Фахретдинов1, Е. А. Гончаренко1, Р. М. Халиков1

1Башкирский государственный университет Россия, Республика Башкортостан, 450076 г. Уфа, ул. Заки Валиди, 32. Тел./факс: +7 (347) 228 62 78. 2Башкирский государственный университет, Бирский филиал Россия, Республика Башкортостан, 452453 г. Бирск, ул. Интернациональная, 10.

E-mail: [email protected]

Рассмотрена технология изготовления профилированных изделий из наноструктурирован-ной композиционной керамики методом экструзии на вакуумном поршень-прессе.

Ключевые слова: наноструктурированная керамика, формование композитов, экструзия, профилированные изделия, вяжущие системы.

Керамические профилированные изделия с определенными электрофизическими характеристиками, высокими прочностью и термостойкостью востребованы промышленностью. Они предназначены для использования в конструкциях теплотехнического оборудования, также служат в качестве чехлов для термопар. На сегодняшний день разработка составов и способов их изготовления является актуальной задачей. Поэтому целью данной работы явилась организация технологии изготовления трубчатых изделий с высокими эксплуатационными характеристиками на основе наноструктури-рованной композиционной керамики методом экструзии.

В технологическом производстве композитных профилированных изделий на основе неорганических вяжущих систем используются различные способы получения [1]. Разработаны различные массы и методы формования наноструктуриро-ванных керамических композиций в профилированные изделия. Предложены технологии изготовления корундовой, стеатитовой, кордиетовой и форстеритовой наноструктурированной композиционной керамики для производства трубчатых изделий различных моделей и модификаций [2].

Характеристики керамических профилированных изделий зависят как от состава керамики, так и от технологии изготовления изделия. Так, существующая технология производства керамических трубок включает следующие этапы [3]:

- подготовку исходного сырья (измельчение);

- приготовление формовочной массы;

- изготовление профилированных изделий;

- сушку и обжиг.

В настоящее время основным видом оборудования в производстве стержней, профилей, трубок и капилляров из пластических керамических масс становятся поршневые прессы. Наиболее часто они применяются для переработки высокофрикционных материалов, плохо поддающихся обработке на шнековых машинах. Достоинствами поршневых экструдеров считаются возможность экструзии малопластичных материалов, создание более высоких

давлений в цилиндре, меньшие износы рабочих органов; к недостаткам относят меньшую производительность и отсутствие смесительных функций.

Сырьевые керамические материалы предварительно измельчаются и перемешиваются для получения однородной массы по объему. Пресс-порошок готовят в распылительных сушилках, гра-нуляторах и смесителях. Формуются трубки на обычных горизонтальных шнековых прессах, оборудованных комплектом соответствующих сменных «мундштуков» и резательных автоматов разных конструкций под большим давлением (15...40 МПа) [4]. Влажность керамической массы, формуемой на шнековых прессах, не должна быть выше 14-16%. Однако при изготовлении тонкостенных (2-4 мм) длинномерных (до 2000 мм) керамических труб и трубчатых изделий по традиционной технологии возникают определенные сложности, связанные с большими энергозатратами, значительным выходом бракованных изделий, сложностью выбора оптимальных параметров процесса в зависимости от типа сырья и т.д. Значительный интерес на сегодняшний день представляет создание новых технологий керамических композиционных материалов и изделий на неорганических связках.

С учетом этого на кафедре инженерной физики и физики материалов БашГУ разработана технология изготовления профилированных изделий из наноструктурированной керамики, которая реализуется на производственной базе Бирского филиала, где запущен комплекс оборудования для вакуумной экструзии пластичных керамических масс ECT-Piston Press и создана «Лаборатория технологии композиционной керамики». Вакуум-пресс ЕСТ состоит из трех основных частей: гидравлический, вакуумирующей и прессующей (рис. 1):

Пресс захватывает наноструктурированную керамическую массу и проталкивает в вакуум-камеру, откуда освобожденная от воздуха формовочная масса, уплотненная поршнем, продвигается к выходному отверстию «мундштука», укрепленному на головке пресса. Выдавливанием через

* автор, ответственный за переписку

«мундштук» формообразующей части пресса пластичной массы происходит производство керамических изделий заданной формы (рис. 2). В прессовой головке мундштука происходит сжатие нано-композиционной массы и формообразование трубчатого изделия определенной формы и размеров.

Рис. 1. Вакуум-пресс ЕСТ-Piston Press.

Процесс сушки трубчатых изделий из наност-руктурованной композиционной керамики происходит в три этапа: при комнатной температуре, нагрев и выдержка при конечной температуре. Установленный оптимальный режим сушки обеспечивает получение бездефектных изделий с заданной влажностью в возможно короткие сроки, при этом расходы теплоты и энергии наименьшие. Например, сформованные трубчатые изделия ^ = 30 мм, I = 300 мм) сушились по следующему режиму: выдержка при комнатной температуре - 24ч.; нагрев

до температуры 200 C со скоростью 5 C в мин., выдержка при 200 C в течение 10 ч.; затем производился обжиг при установленных для эксплуатации температурах (до 1200 C).

Традиционно обжиг керамических труб производится в электрических и газовых печах с температурой до 1700 C [1]. Продолжительность обжига определяется свойствами сырья, размерами труб; автоматическим регулированием режима. Среди явлений, протекающих при обжиге, важнейшим является процесс спекания, обусловливающий превращение пористых заготовок из конгломерата слабосвязанных частиц, объединяемых преимущественно силами трения и адгезии, в плотное, прочное тело с заданной структурой и эксплуатационными свойствами. Основными параметрами при оценке спекания керамических профилированных изделий из безобжиговых нанокомпозитов является повышение механической прочности, без повышения плотности. В результате обжига трубчатые изделия приобретают камневидное состояние, высокие прочность, водостойкость, термостойкость и другие необходимые в эксплуатации свойства.

В технологии конструирования керамики на базе композиционных материалов в качестве начальной стадии осуществлялось смешивание жидких связующих с порошковой частью (оксидами металлов) до получения гомогенной пластической массы [5]. В зависимости от технических условий на трубчатое изделие к полученной массе добавляются различные виды керамических наполнителей. Формование керамических труб диаметром до 100 мм, длиной 2000 мм проводили на экс-трудере ECT-Piston Press с под давлением до 200 МПа (обычно 110 МПа). Далее отформованные изделия сушились (при комнатной температуре в течение 12-24 ч; в сушилках при температуре 100— 150 C — 12 ч; при температуре 350—400 C — 5 ч), в результате происходит удаление влаги из материала, незначительная усадка, увеличение прочности. Для формирования прочностных и огнеупорных свойств трубчатые изделия подвергали обжигу при температуре 700 C.

Рис. 2. Принципиальная схема формообразующей головки-мундштука пресса.

Твердение наноструктурированных керамических композиционных материалов обеспечивается коллоидными системами (наносистемами) [6; 7]. Физико-химические процессы этого периода являются определяющими, так как закладываются предпосылки для дальнейшей эволюции структуры материала и его эксплуатационных свойств профилированных изделий. Формирование твердофазной наноструктуры керамической массы обусловлено процессами кислотно-основного взаимодействия, полимеризацией и конденсацией. Поэтому нано-композиции являются микрогетерогенными фрактальными системами, содержащими в равновесии с мономерами полимерные по катиону или аниону частицы, наноассоциаты таких частиц.

В технологии была использована одна из особенностей наноструктирурованных безобжиговых композиций, обусловившей их применение -это способность образовывать твердофазные структуры при относительно невысоких температурах и сохранять прочностные характеристики при нагревании до высоких температур в процессе эксплуатации [8]. Последующая термообработка заготовки (при температурах значительно более низких, чем аналогичная керамика без применения наносвязок) приводит к приобретению профилированным изделием требуемых свойств. Изменение прочности керамической композиции показывает, что она приобретается после термообработки при 300 °С и выше в результате химического взаимодействия наполнителя с наносвязующим компонентом (рис. 3.).

т ^НтСНСфЛЛЛМНЛ

Г1 |рэ|илии№нал тькнологирчарэмики

Рис. 3. Кривые упрочнения наноструктурированной композиционной (I) и традиционной спеченной керамики (II).

На основе разработанной технологии получены трубчатые изделия различных диаметров путем

экструзии наноструктурированных пластичных масс [9]. Варьирование технологических параметров позволяет изготавливать изделия с соответствующими физико-техническими характеристиками огнеупорного, конструкционного назначения. Из нанокомпозиционной керамики получены трубки электроизоляционные (рис. 4), керамические втулки (рис. 5) со следующими техническими характеристиками: предел прочности при сжатии - не менее 30 МПа, дополнительная линейная усадка при 1200 С - не более 0.5 %, термостойкость (800 °С -вода) не менее 10 циклов, температура применения - 1300-1600 С.

Рис. 5. Керамические втулки.

Таким образом, создана технология производства профилированных керамических изделий из наноструктурированных композиций методом экструзии, которая принципиально отличается от традиционной. Получаемые по данной технологии изделия отличаются высокими значениями прочности, термостойкости, электрофизических свойств.

Работа выполнена в рамках реализации проекта «Разработка образовательных программ ФИОП РОСНАНО».

ЛИТЕРАТУРА

1. Химическая технология керамики / Под ред. И. Я. Гузмана. М.: Стройматериалы, 2012. 496 с.

2. Богданов В. С., Булгаков С. Б., Ильин А. С. Технологические комплексы и механическое оборудование предприятий строительной индустрии СПб.: Проспект Науки, 2010. 624 с.

3. Extrusion in ceramics / Ed. F. Handle. Berlin: Springer, 2009. 413 p.

4. Анненков Ю. М., Иванов В. В., Ивашутенко А. С. Эффективность различных методов прессования корундоцирко-ниевых порошков // Новые огнеупоры. 2008. №10. С. 51-56.

5. Mayo M. J. Processing of nanocrystalline ceramics from ultrafine particles // Int. Mater. Rev. 1996. V.41. N.3. P. 85-115.

6. Шаяхметов У. Ш. Фосфатные композиционные материалы и опыт их применения. Уфа: Старая Уфа, 2001. 150 с.

7. Халиков Р. М., Шаяхметов У. Ш. и др. Химия и структура композиций на основе фосфатов. Уфа: РИЦ БашГУ, 2012. 162 с.

8. Голынко-Вольфсон С. Л., Сычев М. М. и. др. Химические основы технологии и применения фосфатных связок и покрытий. Л.: Химия, 1968. 200 с.

9. Патент №2354629 от 10.05.2009 г. Огнеупорная масса. Шаяхметов У. Ш., Васин К. А. и др.

Поступила в редакцию 27.08.2013 г.

EXTRUSION OF NANOSTRUCTURED CERAMIC MASS ON VACUUM PISTON-PRESS

© U. Sh. Shayahmetov1, S. M. Usmanov2, A. R. Murzakova1*, V. V. Chudinov2, E. A. Haydarshin2, I. A. Fahretdinov1, E. A. Goncharenko1, R. M. Khalikov1

1Bashkir State University 32 Zaki Validi St., 450074 Ufa, Republic of Bashkortostan, Russia. 2Bashkir State University, Birsk Branch 10 Internatsionalnaya St., 452453 Birsk, Republic of Bashkortostan, Russia.

Phone: +7 (347) 228 62 78.

E-mail: [email protected]

Profile ceramic products have a wide range of functionality: technical, refractory, construction, etc. In the manufacture of specialized products for the traditional technology, there are certain difficulties associated with large amounts of energy, substantial yield, defective products, the best choice of the complexity of the process, depending on the type of raw materials, etc. Therefore it is needed to find and develop efficient technologies of production relevant quality refractory and ceramic products for industrial purpose. We have developed a technology for manufacturing shaped articles made of nanostructured composite ceramics by extrusion on the vacuum piston-press. Composition formulations were developed for products of complex configuration with many products with open channels or grooves of various sections, including, for high temperature ceramic filters, heat exchangers, insulators, and other articles for special destinations. With this technology, extruded plastic mass produced products - ceramic pipes and tubes of different diameter, which are characterized by high values of strength, heat resistance, electrical properties. Industrial testing of the products obtained showed their high performance.

Keywords: nanostructured ceramics, composites molding, extrusion, profile products, binder systems.

REFERENCES

1. Khimicheskaya tekhnologiya keramiki [Chemical Technology of Ceramics]. Ed. I. Ya. Guzmana. Moscow: Stroimaterialy, 2012.

2. Bogdanov V. S., Bulgakov S. B., Il'in A. S. Tekhnologicheskie kompleksy i mekhanicheskoe oborudovanie predpriyatii stroitel'noi in-dustrii [Technological Systems and Mechanical Equipment of Construction Industry Enterprises]. Saint Petersburg: Prospekt Nauki, 2010.

3. Extrusion in ceramics. Ed. F. Handle. Berlin: Springer, 2009.

4. Annenkov Yu. M., Ivanov V. V., Ivashutenko A. S. Novye ogneupory. 2008. No. 10. Pp. 51-56.

5. Mayo M. J. Int. Mater. Rev. 1996. Vol. 41. No. 3. Pp. 85-115.

6. Shayakhmetov U. Sh. Fosfatnye kompozitsionnye materialy i opyt ikh primeneniya [Phosphate Composite Materials and Experience of Their Application]. Ufa: Staraya Ufa, 2001.

7. Khalikov R. M., Shayakhmetov U. Sh. i dr. Khimiya i struktura kompozitsii na osnove fosfatov [Chemistry and Structure of Composites Based on Phosphates]. Ufa: RITs BashGU, 2012.

8. Golynko-Vol'fson S. Leningrad, Sychev M. M. i. dr. Khimicheskie osnovy tekhnologii i primeneniya fosfatnykh svyazok i pokrytii [Chemical Basis of the Technology and Application of Phosphate Coatings and Bonds]. Leningrad: Khimiya, 1968.

9. Patent No. 2354629 ot 10.05.2009 g. Ogneupornaya massa. Shayakhmetov U. Sh., Vasin K. A. i dr.

Received 27.08.2013.