аспирант с 01.01.2011 по настоящее время
Владивосток, Приморский край, Россия
Развитие экономики Приморского края должно быть основано на использовании собственных ресурсов. С этой точки зрения край богат природными ресурсами, в том числе, глинами, позволяющими использовать их для разработки современных материалов – основой наукоемких технологий. Целью работы является обеспечение производств современными эффективными материалами, позволяющими создать новую отрасль. В работе представлены результаты исследования местного сырья с целью повышения рентабельности и эффективности его использования.
керамические материалы, композит, твердость, спекание, полимер, модификация, нитриды
Композитный материал − комплексное соединение, основу которого составляет матрица, в которую для улучшения свойств введен наполнитель, эти компоненты химически связаны друг с другом и состоят из двух и более разнородных по химическому составу и структуре компонентов, определенным образом распределенных по объему детали (изделия). Это дает возможность конструировать материалы с заданными свойствами. В результате материал приобретает улучшенные свойства, которые не могут быть получены при применении каждого из этих компонентов в отдельности [2].
В настоящее время наиболее распространенными и истребованными материалами являются универсальные нанонаполненные и микронаполненные композиты; микронаполненные композиты, обладающие отличными свойствами; конденсируемые композиты (рис. 1); компомеры; а также стеклоиономерные цементы [3].
Одним из эффективных технологических приемов производства качественных керамических изделий является введение различных тонкомолотых добавок [4]. В связи с этим проведены комплексные исследования керамических масс на основе суглинков в композиции с механоактивированными композиционными добавками с учетом специфических свойств конкретных сырьевых материалов.
В качестве исследуемых сырьевых материалов были выбраны лессовидный суглинок Спасский месторождения Приморского края как основное глинистое сырье, а для создания композиционной механоактивированной добавки выбраны нитриды в количественном содержании 10%. Подготовку композиционной добавки подвергали механической активации путем совместного помола в лабораторной шаровой мельнице.
Затем полученный помол обжигали в СПС установке (рис. 2).
На данном этапе исследовался состав получившихся образцов. В тонкодисперсном состоянии эти массы планируется использовать в качестве неорганического компонента в композиционных материалах.
Исследования состава масс проводили при помощи портативного XRF-анализатора (рис. 3).
В табл. 1 указаны данные по исследованию составов используемых масс.
Таблица 1
Составы исследуемых масс
|
Сырье |
Содержание Si |
Al |
Ti |
Fe |
Mg |
S |
P |
Mn |
|
Чистая масса |
68.04 |
17.75 |
10.41 |
3.2 |
0.26 |
0.17 |
0.124 |
0.118 |
|
Масса с добавками нитрида |
66.36 |
20.36 |
0.94 |
3.55 |
3.78 |
0.70 |
0.19 |
0.006 |
Исследования микроструктуры проводили при помощи микроскопа CarlZeiss Axiovert 40 MAT, укомплектованного цифровой камерой AxioCam ERc 5s (производство Carl Zeiss Microlmaging GmbH, Германия) и программным обеспечением AxioVision 40 версии 4.8.2.0 [5].
Экспериментальные данные подтверждает возможность получения качественного полуфабриката на основе исследуемых составов керамических композиций при давлении прессования 15 – 20 Мпа.
В табл. 2 приведены сравнительные показатели чистой массы и на основе предлагаемой сырьевой композиции, согласно разработанным технологическим режимам.
Как показывают результаты исследования, с повышением содержания механоактивированного нитрида за счет уменьшения содержания лессовидного суглинка наблюдается увеличение прочности при сжатии и изгибе, а также морозостойкости.
Таблица 2
Сравнительные показатели чистой массы и сырьевой композиции
|
Показатели |
Единицы измерения |
Чистая масса |
С использованием добавок |
|
Удельная поверхность |
см2/г |
1500 |
2000 |
|
Температура обжига |
º С |
1050 |
1050 |
|
Предел прочности при: сжатии |
МПа |
9-11 |
10,1-11,2 |
|
Предел прочности при: изгибе |
МПа |
1,9 |
2,8-3,1 |
|
Морозостойкость |
циклы |
15 |
более 25 |
|
Средняя плотность |
кг/м3 |
1810 |
1760 |
|
Водостойкость |
0,7 |
0,87 |
|
|
Водопоглощение |
% |
13,8 |
13,6 |
Максимальная прочность при изгибе спеченных образцов составила 70 МПа, ТКЛР в интервале температур 20- 600°С − 4,8·10-6град-1.
Предварительными исследованиями установлена возможность применения глинистых сланцев для изготовления различных композиционных компонентов различного назначения.
Что касается изменений средней плотности, несмотря на то что увеличивается удельная поверхность вводимой композиционной добавки, предполагающая повышение средней плотности образцов из-за увеличения плотности упаковки сырьевой системы, в целом, наблюдается существенное снижение показателей средней плотности термообработанных образцов на основе исследуемой керамической композиции до 1710 кг/м3, что составляет около 8%.
Выводы
1. С учетом физико-механических и химико-минералогических характеристик выбрана сырьевая композиция − лессовидный суглинок-механоактивированная композиционная добавка, включающая нитрид, с целью создания технологии качественной керамики.
2. Выявлены основные закономерности изменения физико-механических свойств при различных соотношениях керамических композиций до и после термообработки. Исследовано влияние влажности и давления прессования на указанные свойства.
3. Экспериментально установлена зависимость степени уплотнения и сырцовой прочности керамических композиций от давления прессования. Для обеспечения необходимой степени уплотнения и сырцовой прочности изделий без существенных деформаций структурных элементов прессование должно осуществляться при давлении 15-20 МПа.
4. На стадии термообработки в исследуемой керамической массе с механоактивированной композиционной добавкой установлены изменения таких свойств, как огневая усадка, прочность при сжатии и изгибе, средняя плотность и водопоглощение образцов в интервале температур обжига 1000–1250С. При этом выявлены сложные зависимости указанных свойств по системе «температура – состав – свойства».
Заключение
С учетом физико-механических и химико-минералогических характеристик выбрана сырьевая композиция – спечный на СПС установке лессовидный суглинок с механоактивированной композиционной добавкой, включающей нитрид, с целью создания технологии качественной керамики.
1. Андрианов Н.Т., Балкевич В.Л., Беляков А.В., Власов А.С.,Гузман И.Я., Лукин Е.С., Мосин Ю.М., Скидан Б.С. Химическая технология керамики. − Москва: Стройматериалы, 2011. − 46 с.
2. Иванова А.В., Михайлова Н.А. Технологические испытания глин: метод.указания. − Ухта: УГТУ-УПИ, 2005. − 45 с.
3. Скотт М. Керамика. Энциклопедия. − Москва: Арт-Родник, 2012. − 192 с.
4. Лукьяненко В.И. Композиционные пломбировочные материалы / В.И. Лукьяненко, К.А. Макаров, М.З. Штейнгарт, Л.С. Алексеева. Л., 1988. − 160 с.
5. Методы определения свойств для керамических изделий: ГОСТ 13993-78; ГОСТ 473.1-81-ГОСТ 473.11-81.
