Композиты на основе микросфер оксида алюминия и натрийборсиликатных микросфер » Ремонт Строительство Интерьер

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Композиты на основе микросфер оксида алюминия и натрийборсиликатных микросфер

29.06.2021

Для повышения эксплуатационных свойств CBTKM было предложено формировать регулируемые контакты между микросферами из оксида алюминия введением в шихту пустотелых натрийборсиликатных (НБС) микросфер. Применение НБС-микросфер в качестве контактообразователя позволяет равномерно распределять их в шихте из-за достаточно близких геометрических размеров и плотностей микросфер различного сорта. При правильном выборе количества НБС-микросфер значительно снижается возможность возникновения контактов микросфер Al2O3-Al2O3.

По диаграмме состояния Al2O3-SiO2 (рис. 18.16) образуется только одно кристаллическое соединение промежуточного состава — муллит, плавящийся конгруэнтно при 1910 °C и образующий легкоплавкие эвтектики: одну состава 5,5 % Al2O3 и 94,5 % SiO2 (температура плавления 1585 °С), вторую 79 % Al2O3 и 21 % SiO2 (с твердым раствором корунда в муллите, температура плавления 1850 °С).
Композиты на основе микросфер оксида алюминия и натрийборсиликатных микросфер

Муллит имеет формулу 3Аl2O3*2SiO2, что соответствует составу 71,8 % Al2O, и 28,2 % SiO2; пространственную решетку ромбической сингонии (а = 7,584, b = 7,693 и с = 5,77 А); истинную плотность около 3,15-3,18 г/см3.

Муллит обладает рядом ценных свойств при высоких температурах, позволяющих использовать его в качестве высокотемпературного материала, несмотря на сравнительно невысокую температуру плавления. Муллит имеет во всем диапазоне рабочих температур сравнительно небольшие значения коэффициента а (около 5,0*10в-6 °C-1).

Теплопроводность муллита в интервале температур 400—1400 °С составляет 3,0-3,5 Вт/(м*°С).

В реальных материалах температура образования муллита зависит от многих факторов, от природы и дисперсности реагирующих компонентов, от вида и количества примесей, степени уплотнения заготовки и др. Муллит, полученный в процессе синтеза Al2O3 и SiO2, называется вторичным в отличие от первичного, возникающего при нагреве глинистых материалов при более низких температурах.

Были изучены материалы Al2O3-HBC, содержащие от 10 до 35 маc. % НБС-микросфер. Материалы готовили по технологии, приведенной ранее.

На рис. 18.17, а приведены зависимости плотности прессовок композита Al2O3-HБC от количества натрийборсиликатных микросфер при аналогичных условиях прессования (Рпр = 6,5 МПа). При увеличении содержания НБС-микросфер от 10 до 35 мае. % кажущаяся плотность прессовок р снижается от 0,79 до 0,65 г/см3 (на 19 %), при этом относительная плотность Др/р изменяется незначительно — от 24,2 до 23,2 % соответственно (~ 4 %).

Предварительные эксперименты по изучению свойств спеченных материалов Al2O3-HБC (табл. 18.23) показали, что материал состава (мас. %) 90Аl2O3—10НБС обладает низкой прочностью на сжатие (осж = 0 Па при tсп = 1500 °С и осж = 3 МПа при tсп = 1650 °С), а материал 65Аl2O3-35НБС имеет высокую линейную усадку, затрудняющую получение деталей заданной формы (Аl/l = 6,0 % при tсп = 1450 °С и Al/l = 8,9 % при tсп = 1600 °С), поэтому эти составы в дальнейшем не были нами исследованы.

Наилучшим сочетанием плотности рсп, прочности осж и линейной усадки Al/l после спекания обладает материал 75Аl2O3-25НБС.

Установлено, что у материала 70Аl2O3-30НБС прочность на сжатие при всех температурах спекании (при одинаковых давлениях прессовании) выше на 1,0 3,0 МПа по сравнению с материалами 75Al2O3 25НБС, для которых удельная прочность осж.уд(осж/р) практически одинакова. Такое различие свойств связано с тем, что у материала 70Аl2O3—30НБС выше плотность спеченных образцов.

В связи с вышеизложенным более подробное изучение влияния технологических параметров на свойства композита Al2O3-HБC проводили для состава 75Аl2O3—25НБС.

На рис. 18.18—18.20 приведены зависимости свойств материала 7SAl2O3-25НБС от технологических параметров (давления прессования, температуры и времени спекания).

При увеличении давления прессования от 2,0 до 16,0 МПа плотность прессовок растет от 0,52 до 0,97 г/см3, а пористость при этом уменьшается от 83 до 67 % (см. рис. 18.18).


При температурах спекания 1450—1600 °C (время изотермической выдержки 15 мин) наблюдается увеличение плотности и прочности материала при всех давлениях прессования (см. рис. 18.19), при дальнейшем повышении температуры спекания плотность и прочность уменьшаются. Рост механической прочности при увеличении времени изотермической выдержки (рис. 18.20) при температурах спекания 1450—1600 °С связан, по-видимому, с протеканием диффузионного взаимодействия в зоне контакта микросфер из оксида алюминия и жидкофазной составляющей из НБС-микросфер, сопровождающегося образованием муллита и, как следствие, формированием прочных связей между микросферами из оксида алюминия. На дифрактограммах, снятых с материалов, спеченных при различных температурах при нулевой выдержке, линий муллита не обнаружено. При повышении температуры спекания линии муллита появляются при меньшем времени изотермической выдержки, так как повышение температуры вызывает рост коэффициентов диффузии и время, необходимое для протекания процессов образования муллита, уменьшается.

Как видно из результатов, приведенных на рис. 18.20, увеличение времени изотермической выдержки более 15 мин при температурах спекания 1450—1600 °C нецелесообразно, так как прочность на сжатие спеченного материала с дальнейшим увеличением времени выдержки практически не растет.

Увеличение температуры спекания до 1600 °С при времени изотермической выдержки более 30 мин и дальнейшее повышение температуры спекания при кратковременных выдержках приводят к снижению прочности материала (рис. 18.19; 18.20), связанному с началом разложения муллита, о чем свидетельствует сопоставление интенсивностей дифракционных отражений муллита (120) и (210) и корунда (а-Al2O3) (021) для материалов, спеченных при температурах 1500, 1550 и 1600 °С. Интенсивность линий муллита (120) и (210) при повышении температуры спекания от 1500 до 1550 °С (тсп = 15 мин) возрастает, а при дальнейшем повышении температуры падает, а интенсивность линий корунда (012) возрастает (рис. 18.21).

В связи с тем, что приготовление образцов для стандартных испытаний на прочность при растяжении из материалов, изучаемых в настоящей работе, не представляется возможным, определение прочности при растяжении проводили методом диаметрального сжатия. Прочность при растяжении (ов) для материалов 75Аl2O3—25НБС после спекания при 1500 °С в течение 15 мин при давлении прессования 50 МПа составляла 20 МПа, а при Рпр = 80 МПа ов = 4,0 МПа. Таким образом, отношение ов/осж для данных материалов составляет 0,12—0,15, что характерно для керамических материалов.

Для материалов с 15, 20 и 30 мас. % НБС-микросфер зависимость свойств от давления прессования и режимов спекания носит аналогичный характер. Оптимальные технологические режимы получения материалов Al2O3-HБC и их эксплуатационные свойства представлены в табл. 18.24.

Как известно, свойства материалов, содержащих оксид алюминия, во многом определяются его исходной кристаллической структурой. В промышленности при производстве корундовой керамики часто прибегают к предварительному отжигу оксида алюминия для перевода его в стабильную а-модификацию.

В связи с тем, что микросферы из оксида алюминия, использованные для исследований, имели сложный фазовый состав, необходимо было изучить влияние предварительного отжига микросфер на свойства спеченных материалов Al2O3-HБC.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: