Белгород, Белгородская область, Россия
Белгородский университет кооперации, экономики и права
Старооскольский технологический институт им. А. А. Угарова (филиал) Национального исследовательского технологического университета «МИСиС»
сотрудник
Белгород, Белгородская область, Россия
сотрудник
Белгород, Белгородская область, Россия
Белгород, Белгородская область, Россия
ГРНТИ 61.35 Технология производства силикатных и тугоплавких неметаллических материалов
ББК 35 Химическая технология. Химические производства
В работе представлены результаты исследования влияния высоких температур плазмы на испарение легкоплавких оксидов, термодиффузию отдельных катионов и процессы обра-зования микроликваций. Были изучены микроструктура защитно-декоративного покрытия на основе боя высокоглинозёмистого огнеупора, процессы испарения отдельных ингредиентов в поверхностном оплавленном слое защитно-декоративного покрытия, термодиффузии по глубине защитно-декоративного покрытия и образования микроликваций в зоне, обогащённой катионом натрия. Установлено, что при плазмохимическом модифицировании облицовочного композиционного материала с защитно-декоративным покрытием на основе боя высокоглинозёмистого огнеупора и натриевого жидкого стекла с поверхности лицевого слоя испаряются оксиды кальция и натрия, увеличивается содержание оксидов кремния и алюминия. За счёт интенсивной термодиффузии наиболее подвижного катиона натрия на поверхности образуются области микроликваций.
плазмохимическое модифицирование, облицовочный композиционный материал, защитно-декоративное покрытие, испарение оксидов, термодиффузия катионов.
Введение. Плазмохимическое модифицирование широкого спектра материалов – стекла, керамики, бетона и различных композиционных материалов показали возможности технологий плазменного получения покрытий как оплавлением лицевой поверхности, так и порошковым или стержневым напылением [1–3].
При кратковременном высокотемпературном воздействии плазмы обрабатываемый материал может прогреваться на глубину до 3000–4000 мкм, а температура расплава на поверхности может достигать 2000 °С [4–6]. Такие температуры значительно интенсифицируют процессы плавления кристаллической фазы [7].
Для оптимизации технологических плазменных процессов ряд исследователей разрабатывали методики расчёта температурных полей и напряжений в оплавленных плазмой слоях бетона и различных композиционных материалах [8–10]. Однако они не учитывали послойного изменения химического состава покрытия, которые были вызваны испарением наиболее летучих оксидов и диффузией компонентов в сторону высоких температур [11].
Декорирующий слой на бетоне и композиционных материалах в зависимости от состава и структуры в значительной степени может изменить кинетику нагрева, оплавленного плазмой многослойного защитно-декоративного покрытия [12–14]. Плазменная отделка с различным многокомпонентным декорирующем слоем позволить улучшить их тепловые, коррозионные, физико-механические и эстетические свойства [15–16].
Однако открытыми остаются вопросы формирования ликваций в многослойном оплавленном плазмой покрытии. В недостаточной степени изучены процессы термодиффузии и испарения компонентов при плазмохимическом модифицировании бетона и различных облицовочных композиционных материалов.
Методология. Оплавление производили при скорости прохождения плазменной струи по лицевой поверхности 10 мм/с на электродуговом плазмотроне «Горыныч». Температура плазменной струи в точке контакта с лицевой поверхностью составляла 6000 °С.
Затем образцы испытывали на прочность сцепления покрытия с основой. После отрыва от подложки микроструктуру оплавленного защитно-декоративного покрытия исследовали на электронном микроскопе TESCAN MIRA 3 LMU. По всей толщине покрытия определялась концентрация оксидов CaO, SiO2, Al2O3.
Основная часть. Высокие температуры плазменной струи вызывают в оплавленном слое термодиффузию и испарение оксидов в поверхностном слое защитно-декоративного покрытия облицовочного композиционного материала. Для изучения этих процессов предварительно производили оплавление облицовочного композиционного материала с защитно-декоративным покрытием из смеси боя высокоглнозёмистого огнеупора фракционного состава 0,63–0,8 мм с жидким стеклом. На рисунке 1 показано, что в защитно-декоративном покрытии концентрация оксида кальция уменьшалась, а оксидов кремния и алюминия возрастала, что способствует увеличению значения микротвёрдости защитно-декоративного покрытия. Содержание вышеуказанных оксидов была исследована в зонах 1–5.
|
|
|
Рис. 1. Микроструктура защитно-декоративного покрытия:
1–5 – исследуемые зоны по толщине покрытия; 6 – газовые включения; 7 – трещины
Экспериментально установленная закономерность изменения концентрации по толщине защитно-декоративного покрытия представлена в таблице 1 и на рисунке 2.
Механизм формирования многослойной структуры защитно-декоративного покрытия на основе боя высокоглиноземистого огнеупора с добавлением жидкого стекла в количестве 5 % значительно отличается. Содержание оксида натрия, поступающего в покрытие вместе с жидким стеклом в условиях перегретого расплава при плазмохимическом модифицировании снижает его вязкость, интенсифицируются процессы термодиффузии. Наиболее подвижным диффундирующим элементом является катион натрия.
Из стеклокристаллического слоя катионы натрия диффундировали в сторону высоких температур. На лицевой поверхности образовался аморфный слой, обогащенный оксидом натрия с образованием областей ликвации. Низкая вязкость расплава обеспечивала интенсивный выход газовых включений. В стеклокристаллической зоне, обогащенной оксидом алюминия, происходила кристаллизация α-Al2O3 (рисунок 3).
В поверхностном аморфном слое А (зона 2) имеются области ликвации с содержанием катионов Na+ 8,57 %. На глубине 250 мкм содержание Na+ составляет 7,69 % (зона 1). На границе между аморфным слоем и стеклокристаллическим слоем (зона 3) Na+ составляет 5,7 %. В центре стеклокристаллического слоя на глубине 650 мкм содержание Na+ составляет 4,2 %. В дегидратационном слое, где температура прогрева не превышает 400 °С, натрия содержится 8,2 % (зона 7).
Таблица 1
Распределение концентрации элементов по толщине защитно-декоративного покрытия
|
№ п/п |
Толщина (глубина) покрытий, мкм |
Вес, % |
||
|
Ca |
Si |
Al |
||
|
1 |
55,6 |
0,60 |
3,61 |
52,50 |
|
2 |
291,6 |
1,27 |
3,52 |
52,07 |
|
3 |
555,6 |
1,29 |
2,73 |
51,43 |
|
4 |
777,8 |
1,52 |
2,11 |
50,86 |
|
5 |
1013,8 |
1,91 |
1,49 |
50,30 |
Особе6нности строения стеклокристаллического слоя представлены на рисунке 4. В этом слое имеются области с кристаллами α-Al2O3, а также незакристаллизованные участки, содержащие аморфную зону, имеющую в своем составе Na2O.
|
а) |
|
б) |
|
|
|
в) |
|
|||
Рис. 2. График зависимости изменения содержания отдельных элементов по толщине оплавленного слоя:
а – Ca; б – Si; в – Al
|
|
|
Рис. 3. Микроструктура аморфного (А) стеклокристаллического (Б) и дегидратационного слоя (В)
Рис. 4. Стеклокристаллический слой:
1 – кристаллы α-Al2O3; 2 – аморфная фаза
Выводы. Установлено, что за весьма короткие промежутки времени, при быстром охлаждении расплава и увеличении его вязкости, процессы гомогенизации расплава и кристаллизации остаются незавершенными. Вследствие этого в стеклокристаллическом слое имеются как закристаллизованные участки, так участки с аморфной фазой.
Проведенные исследования позволили сделать вывод, что защитно-декоративные покрытия, частично закристаллизованные, будут обладать повышенными эксплуатационными показателями за счет наличия кристаллической фазы и отсутствия микротрещин.
Установлено, что под действием высоких температур плазменной струи происходит огненная полировка лицевой поверхности стеклокристаллического композиционного материала.
Источник финансирования. Грант Президента для научных школ НШ-2724.2018.8.
1. Akulova M.V., Fedosov S.V. Atmospher-ic and corrosion resistance ingrease of concrete by plasma spaying of zink // Problemy naukowo-badawcze budownietwa: XLIII Konferencja naukowa. Poznan: Krynia, 1997. Volume VI. P. 5-7.
2. Федосов С.В, Акулова М.В., Кошелев Е.В. Закрепление плазмооплавленного стекловидного декоративного слоя на бетоне с помощью пропиток // Научный Вестник Во-ронежского государственного архитектурно-строительного университета. 2008. № 3. С. 44−49.
3. Ковальченко Н.А., Здоренко Н.М., Бурлаков Н.М., Карайченцев Р.С. Плазменное напыление цветных металлов на изделиях стеновой керамики // Международный журнал экспериментального образования. 2016. № 11-1. С. 81.
4. Ильина И.А., Минько Н.И., Борисов И.Н., Бондаренко Д.О., Скрипченко П.В. Локальная термическая обработка стеновых строительных материалов автоклавного твер-дения // Современные наукоемкие техноло-гии. 2014. № 3. С. 165.
5. Здоренко Н.М., Ильина И.А., Бонда-ренко Н.И., Борисов И.Н., Изофатова Д.И. Формирование качества и конкурентоспособности стеновых строительных материалов автоклавного твердения // Современные наукоемкие технологии. 2014. № 10. С. 120.
6. Федосов С.В., Акулова М.В., Щепоч-ника Ю.А., Подлозный Э.Д., Науменко Н.Н. Плазменное оплавление строительных композитов. М.: Изд-во АСВ; Иваново: ИГАСУ, 2009. 228 с.
7. Волокитин О.Г., Верещагин В.И., Ше-ховцов В.В. Процессы получения расплава из кварцевого песка в агрегатах низкотемпературной плазмы // Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая тех-нология. 2015. Т. 58. № 1. С. 62-65.
8. Баженов Ю.М., Федосов С.В., Щепочкина Ю.А., Акулова М.В. Высокотемпературная отделка бетона стекловидными покрытиями. М.: Изд-во АСВ, 2005. 128 с.
9. Подлозный Э.Д., Митюшев В.В. Теплопроводность двухслойной композитной прямоугольной плиты, оплавленной движущимся источником тепла // Современные методы проектирования машин: сб. тр. БНТУ. Минск, 2002. Т. 3. №. 1. С. 89-99.
10. Подлозный Э.Д., Митюшев В.В. Температурные напряжения в полуплоскости с полубесконечной трещиной при плазменном воздействии на композиты // Нелинейная динамика механических и биологических си-стем: межвуз. науч. сб. Саратов: СГТУ, 2004. С. 63-74.
11. Бондаренко Н.И., Бессмертный В.С., Ильина И.А., Гащенко Э.О. Глазурование изделий из бетона с использованием факела низкотемпературной плазмы // Вестник Бел-городского государственного технологиче-ского университета им. В.Г. Шухова. 2012. № 2. С. 124-127.
12. Федосов С.В., Ибрагимов A.M., Гущин А.В. Влияние тепловлажностной обработки на прочность железобетонных ограждающих конструкций и изделий // Строительные материалы. 2006. № 9. С. 7-8.
13. Федосов С.В., Аксаковская Л.Н., Ибрагимов A.M., Анисимова Н.К. Математическое моделирование переноса тепла при оплавлении стеклобоя на поверхности бетона // Строительные материалы. 2006. № 9. С. 12-13.
14. Бессмертный В.С., Панасенко В.А., Ляшко А.А., Антропова И.А., Ильина И.А., Ткаченко Н.И., Кротова О.В. Инновационная технология плазменной обработки тугоплавких неметаллических силикатных материалов // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2012. № 4. С. 40.
15. Волошко Н.И., Ковальченко Н.А., Здоренко Н.М., Купавцев Э.И. Повышение коррозионной стойкости бетонных изделий методом плазменной обработки // Международный журнал экспериментального образования. 2017. № 1. С. 114.
16. Bessmertnyi V.S., Simachev A.V., Zdorenko N.M., Rozdol'skaya I.V., Min'ko N.I., Bondarenko N.I., Bondarenko D.O. Evaluation of the competitiveness of wall building materials with glassy protective-decorative coatings ob-tained by plasma fusing // Glass and Ceramics. 2015. Vol. 72. № 1-2. С. 41-46.
