CC BY
80
УДК 666.777:620.173.25
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ОБРАБОТКИ НА ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНУЮ ДЕФОРМАЦИЮ НАНОСТРУКТУРИРОВАННОЙ КОМПОЗИЦИОННОЙ КЕРАМИКИ НА ОСНОВЕ ОКСИДА АЛЮМИНИЯ
© У. Ш. Шаяхметов*, А. Р. Мурзакова
Башкирский государственный университет Россия, Республика Башкортостан, 450076 г. Уфа, ул. Заки Валиди, 32.
Тел: +7 (347) 228 62 78. E-mail: rusairu@ufanet.ru
Рассмотрена высокотемпературная деформация наноструктурированной композиционной керамики на основе оксида алюминия.
Ключевые слова: наноструктурированная керамика, неорганическое связующее, оксид алюминия.
Керамические материалы широко применяются в различных отраслях техники, часто в экстремальных условиях при воздействии термических, механических и других видов нагрузок. Для керамики особое практическое значение имеет определение прочностных показателей в широком интервале температур, что имеет большое практическое значение при определении областей техники, в которых целесообразно использовать керамические композиционные материалы.
В технологии композиционной керамики наноразмерные структуры, возникающие непосредственно на поверхности твердой фазы, а также в прилегающем слое жидкой фазы, являются определяющими для свойств получаемого материала [1]. Их изучение позволит создавать новые технологии и новые материалы с более высоким уровнем физико-технических свойств. Процессы нанотехнологии являются очень перспективными для получения безобжиговых керамических нанокомпозитов. Известно, что повышенные температуры ускоряют диффузионный массоперенос и агрегацию, что приводит к росту наночастиц за пределы нанораз-меров. При низких температурах сохранение нано-размеров облегчается. В то же время известно, что наночастицы оказывают очень сильное влияние на всю систему, т.е. на весь материал, и придают ему новые свойства. Это открывает пути к получению новых нанокомпозитов, особенность структуры которых заключается в том, что в отличие от традиционной керамики, наночастицы обеспечивают спекание и образование прочной структуры в композитах при низких температурах. Применение новых методов исследования наносистем позволит разрабатывать композиты с заданными свойствами. В современной технологии неорганических материалов разработка технологии наноструктурированной композиционной керамики на основе огнеупорных вяжущих систем, определение параметров технологии производства, обеспечивающих получение изделий со стабильными заданными свойствами и получение керамических изделий с высокими показателями термомеханических свойств, является актуальной задачей. Такой задаче отвеча-
ют керамические наноструктурированные композиционные материалы на неорганических связках.
Разработаны безобжиговые материалы на основе оксида алюминия и фосфатных связующих, которые имеют полимерное строение. Твердение этих материалов обеспечивается коллоидными системами (наносистемами). Для определения термомеханических свойств данных материалов проведены испытания высокотемпературной деформации полученных композиционных материалов.
Испытания проводили на композициях состава тонкомолотый оксид алюминия-фосфатное связующее (ФС). В качестве тонкомолотого наполнителя использовали высокотемпературную модификацию а-глинозема, полученную обжигом при 1600 °С, имеющий удельную поверхность 1.95—2.10 м2/г. Изучена деформация композиции состава тонкомолотый а-АЬ0з-НзР04 (Т:Ж=2:1, удельная поверхность порошка а-А1203 — около 2 м2/г) методом одноосного сжатия цилиндрических образцов, диаметром 20 и высотой 30 мм. Нагрузка сжатия, действующая на образец перед началом нагрева, менялась от 0.04 до 0.8 МПа, а скорость нагрева составляла 2.5, 5 и 10 град/мин в температурном интервале 20-1600 °С. Исследуемые образцы предварительно термообрабатывали без нагрузки при температурах до 300 °С: сначала сушили в сушильном шкафу со скоростью подъема температуры до 110 °С равной 0.2-0.3 град/мин с выдержкой при 110 °С в течение 1 ч, затем нагревали в муфельной печи со скоростью около 1 град/мин, время выдержки при 300 °С - 1 ч.
На рис. 1-2 приведены кривые деформации композиции а-А1203-Н3Р04 в зависимости от нагрузки. На всех кривых, полученных после предварительной термообработки при температурах до 500 °С, имеется перегиб в интервале 450-750 °С, который исчезает при повышении температуры предварительной термообработки до 900 °С и выше. Наличие перегиба связано с фазовыми процессами: взаимодействием компонентов и разрушением каркаса, образовавшегося при предварительной термообработке до 300 °С. Структурные изменения в интервале 450-750 °С связаны с процессами по-
* автор, ответственный за переписку
ликонденсации и образованием полифосфатов, а выше 600 °С - с разрушением полимерных фосфатов [А1(РОз)з]п, [А1(Н2Рз01о)п]т и т.д. и их фазовыми превращениями [2-3]. При температурах термообработки выше 800 °С структура нанокомпозита остается стабильной, поэтому указанный перегиб в области 450-750 °С отсутствует (рис. 1-2).
Рис. 1. Деформация (е) от температуры состава а-АЪОз-Н3РО4 (Т:Ж=2:1), при нагрузках сжатия, МПа: 1 - 0.04; 2 - 0.2; 3 - 0.4; 4 - 0.6 и 5 - 0.8.
2,0
1,0
3
_____2 \ \Д \
400 800 1200 \\l600\VC
-1,0
Рис. 2. Деформация (е) от температуры состава а-АЪОз-
Н3РО4 (Т:Ж=2:1) при нагреве под нагрузкой 0.2 МПа после предварительной термообработки при, °С: 1 - 300;
2 - 900 и 3 - 1400.
Из данных рис. 1 следует, что деформация увеличивается до температур около 1100 °С, причем, чем больше нагрузка, тем выше деформация. При постоянной нагрузке 0.2 МПа с ростом температуры предварительной термообработки начало деформации смещается в сторону более высоких температур (рис. 2). После термообработки при 900 °С с выдержкой в течение одного часа в образцах содержатся исходный а-глинозем, ортофосфат А1Р04 (форма С) и метафосфат А1(РОз)з (А-тип) (рис. 1). Стабильная структура формируется при 900 °С за 1 час выдержки и поэтому температура
начала деформации повышается с 1100 °С до 1250 °С. При нагреве без нагрузки до 1400 °С и повторном нагреве под нагрузкой 0.2 МПа (рис. 2, кривая 3) деформация начинается при 1350 °С, что на 50 градусов ниже температуры предварительной термообработки.
Изучена зависимость деформации фосфатной композиции состава а-А1203-Н3Р04 (Т:Ж=2:1) от скорости нагрева в температурном интервале 201600 °С при скоростях нагрева 2.5, 5.0 и 10 град/мин и нагрузках 0.2, 0.4 и 0.8 МПа. На рис. 3 приведена кривая изменения высоты образцов (в %) при нагреве со скоростью 5 град/мин под нагрузкой 0.2 МПа (рис. 3). Ход кривой показывает, что при повышении температуры до термическое расширение превалирует над деформацией сжатия, а в температурном интервале 1нд.-1600 °С изменение длины образца определяется усадкой, величина которой к 1600 °С обозначена Еш.
ле е
%
тш I, 'С
Рис. 3. Деформация состава а-АЪ0з-ИзР04 (Т:Ж=2:1) при скорости нагрева 5 °С/мин под нагрузкой 0.2 МПа.
Основные результаты изучения деформаций приведены в табл. 1-2.
Из табличных данных следует, что при всех скоростях нагрева температура начала деформации (1н.д. ), определяемая максимальным значением удлинения ЛИ, снижается при увеличении напряжения от 0.2 до 0.8 МПа, а деформация Еш, как и следовало ожидать, увеличивается (табл. 1). Абсолютные значения деформации Еш при всех нагрузках наибольшие при скорости нагрева 2.5 град/мин, наименьшие при 10 град/мин. Такой характер зависимости деформации от скорости нагрева объясняется тем, что чем меньше скорость нагрева, тем в течение большего времени нагрузка действует на образец, соответственно увеличивается деформация. В области интенсивных деформаций 1100-1600 °С нагрузка действует в течение 200 минут при скорости нагрева 2.5 град/мин, 100 минут при 5 град/мин и 50 минут при 10 град/мин. Скорость нагрева и нагрузка существенным образом не влияют на пористость и плотность образцов (табл. 2).
Таблица 1
Влияние скорости нагрева на деформацию под нагрузкой состава а-ЛЪ0з-НзР04 (Т:Ж=2:1)
Скорость нагрева, °С/мин Нагрузка, Температура начала Расширение в интервале Деформация в интервале
МПа деформации, °С 20 °С4ВД ,% tн.д. - 1600 °С, Еш (%)
0.2 970 0.85 1.40
2.5 0.4 930 0.90 1.74
0.8 900 0.85 2.78
0.2 1000 1.18 1.34
5.0 0.4 980 1.08 1.64
0.8 960 1.00 2.20
0.2 1040 1.00 0.82
10.0 0.4 1000 0.94 0.98
0.8 965 0.76 1.70
Таблица 2
Пористость (П), кажущаяся плотность (р) и водопоглощение (W) образцов состава а-АЪ0з-НзР04 (Т:Ж=2:1)
после нагрева до 1600 °С
Скорость нагрева, °С/мин Нагрузка, МПа П, % р, г/см3 W, %
2.5 0.2 27.8 2.07 13.3
2.5 0.4 27.5 2.08 13.3
2.5 0.8 27.2 2.09 13.2
5 0.2 28.8 2.04 14.0
5 0.4 26.6 2.11 12.5
5 0.8 24.3 2.17 11.0
10 0.2 26.8 2.08 12.6
10 0.4 25.8 2.12 12.2
10 0.8 24.0 2.14 12.0
Таким образом, экспериментальные исследования и расчетные значения параметров позволили установить две температурные области деформации, различающиеся характером закономерностей ползучести в зависимости от первичной температуры обработки фосфатных композиций. Первая область деформации характерна для композиций с
неустойчивыми структурой и фазовым составом, когда их термообработка произведена при температурах от 300 до 800 °С. Вторая область деформации характерна для композиций со сравнительно стабильными структурой и фазовым составом, подвергнутых первичной термообработке при температурах выше 1000 °С.
Рис. 1. Изделия фасонные мелкоштучные электроизоляционные.
а б в
Рис. 2. Изделия, предназначенные для защиты термопар (а - трубки, б - трубки-втулки, в - чехлы).
В результате проведенных исследований разработаны наноструктурированные керамические композиционные составы на основе оксида алюминия и фосфатного связующего, из которых изготовлены мелкоштучные фасонные огнеупорные изделия, предназначенные для комплектации электрических печей, термоагрегатов, печей обжига (изоляторы с отверстиями, без отверстий, фасонные, в виде втулок, спираледержатели, шайбы, стойки, полочки, клицы, капители, наконечники, колодки) и изделия, предназначенные для защиты термопар до 1700 °С (трубки, чехлы) (рис. 1-2). Вышеперечисленные изделия прошли апробацию на промышленных предприятиях, где в настоящее время успешно эксплуатируются, т.к. по своим физико-
техническим характеристикам не уступают, а по некоторым показателям даже превосходят зарубежные аналоги.
ЛИТЕРАТУРА
1. Мурзакова А. Р., Шаяхметов У. Ш., Валеев И. М. Технология эффективных многофункциональных керамических композиционных матермалов. // Огнеупоры и техническая керамика. 2012. №1-2. С. 37-39.
2. Шаяхметов У. Ш., Бакуноа В. С., Мурзакова А. Р. Деформация и ползучесть керамических материалов: уч. пособие. Уфа: РИЦ БашГУ, 2013. 82 с.
3. Шаяхметов У. Ш., Амиров Р. А., Исхаков Ф. Ш., Васин К. А. Технология изготовления и деформация под нагрузкой безобжиговых керамических композиций. // Современное состояние теории и практики сверхпластичности материалов: Труды Межд. научн. конф. Уфа: Гилем, 2000. С. 333-339.
Поступила в редакцию 19.02.2014 г.
EFFECT OF TEMPERATURE TREATMENT ON HIGH TEMPERATURE DEFORMATION OF NANOSTRUCTURED COMPOSITE CERAMICS BASED ON ALUMINA
© U. Sh. Shayahmetov, A. R. Murzakova*
Bashkir State University 32 Zaki Validi st., 450076 Ufa, Republic of Bashkortostan, Russia.
Phone: +7 (347) 228 62 78.
E-mail: rusairu@ufanet.ru
The creation of composite ceramic materials based on refractory binding systems with specified thermomechanical properties exposed during exploitation of high-temperature deformation or materials with a modified nanostructure as a result of compulsory deformation and superplasticity and introduction into production instead of existing energy-efficiency technologies ceramics is of high interest at present time. The study of the deformation when heated under load allows to estimate the structural properties and define the field of application, simplifies the choice of heat-resistant and refractory products of nanostructured ceramic composite materials for concrete conditions of their operation. The article investigates the high-temperature deformation of nanostructured composite ceramics based on aluminium oxide. Considered the temperature field of deformation depending on the treatment temperature ceramic compositions. Developed nanostructured ceramic composite structures on the basis of aluminum oxide and a binder of manufactured products for constructional and refractory destination.
Keywords: nanostructured ceramics, inorganic binder, alumina.
Published in Russian. Do not hesitate to contact us at bulletin_bsu@mail.ru if you need translation of the article.
REFERENCES
1. Murzakova A. R., Shayakhmetov U. Sh., Valeev I. M. Ogneupory i tekhnicheskaya keramika. 2012. No. 1-2. Pp. 37-39.
2. Shayakhmetov U. Sh., Bakunoa V. S., Murzakova A. R. Deformatsiya i polzuchest' keramicheskikh materialov: uch. Posobie [Deformation and Creep of Ceramic Materials: Textbook]. Ufa: RITs BashGU, 2013.
3. Shayakhmetov U. Sh., Amirov R. A., Iskhakov F. Sh., Vasin K. A. Sovremennoe sostoyanie teorii i praktiki sverkhplastichnosti materi-alov: Trudy Mezhd. nauchn. konf. Ufa: Gilem, 2000. Pp. 333-339.
Received 19.02.2014.
