Свойства композиционных материалов на основе микросфер » Ремонт Строительство Интерьер

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Свойства композиционных материалов на основе микросфер

29.06.2021

Коэффициент теплопроводности — одна из важнейших эксплуатационных характеристик теплозащитных материалов. Оксиды, описанные в данной монографии, представляют собой диэлектрики, следовательно, закономерность изменения теплопроводности в них определяется теплопроводностью решетки.

На рис. 18.28 приведены температурные зависимости коэффициентов теплопроводности для материалов из 100 % НБС-микросфер и для материалов на основе оксида алюминия с добавкой НБС-микросфер для следующих составов (мае. %): 85Al2O3-15HБC, 80Al2O3-20НБС, 75Аl2О3-25НБС, 70Аl2О3-30НБС.

Самое низкое значение коэффициента теплопроводности при нормальной температуре [0,45 Вт/(м * °C)] имеет материал из 109 % НБС-микросфер (см. рис. 18.28, кривая 1). При повышении температуры теплопроводность незначительно увеличивается и при 600 °C достигает значения 0,49 Вт/(M*°C).

Для материалов системы Al2O3-SiO2 с содержанием 30, 25, 20 и 15 маc. % НБС-микросфер (см. рис. 18.28, кривые 2—5) характерно уменьшение теплопроводности с повышением температуры. Из приведенных результатов видно, что для материалов из 100 % НБС-микросфер и материалов на основе микросфер из оксида алюминия с добавкой НБС-микросфер наблюдается различное поведение теплопроводности при повышении температуры. Это объясняется тем, что в огнеупорных изоляторах есть две группы веществ, имеющих различную температурную зависимость теплопроводности:

1) оксиды с зависимостью Л — t в интервале 100 °С — tпл (например, SiO2, ZrO2);

2) многочисленная группа (например, Al2O3, BeO, MgO) веществ, имеющих зависимость, близкую к Л—1/t, до температур 1000-1200 °С, при которых длина свободного пробега фононов становится равной межатомным расстояниям (теплопроводность постоянна вплоть до температур плавления). Пористая керамика имеет тот же знак температурной зависимости, что и твердая фаза.

К особенностям материалов системы Al2O3-SiO2 можно отнести резкое различие (больше чем на порядок) теплопроводности чистых компонентов, причем низкотеплопроводные компоненты при 100—200 °C имеют минимально возможную теплопроводность с соответствующей длиной пробега фононов, сравнимой по порядку величины с межатомным расстоянием.

В плотных алюмосиликатных материалах теплопроводность снижается по мере увеличения количества SiO2, причем особенно резко при сравнительно малых концентрациях диоксида кремния (5 мас. %).

Характер температурной зависимости теплопроводности в системе Al2O3-SiO2 по мере изменения концентрации компонентов меняет свой вид в связи с изменением фазового состава материала. Например, с уменьшением количества Al2O3 и одновременным увеличением количества SiO2 в образцах уменьшается содержание корунда в результате образования муллита 3Аl2O3*2SiО2. Часть кремнезема образует стекловидное вещество. Таким образом, в материалах системы Al2O3-SiO2 могут присутствовать три фазы: фаза с зависимостью (Л—t), корунд (Л—1/t) и стекловидное вещество (Л—t3). Соотношение количества данных фаз в материале и определяет зависимость теплопроводности от температуры.

Для композитов из микросфер Al2O3-HБC также характерно снижение величины теплопроводности по мере увеличения содержания НБС-микросфер, основой которых является диоксид кремния. При нормальной температуре коэффициент теплопроводности снижается от 1,18 до 0,76 Вт/(м*°С) при увеличении содержания НБС-микросфер от 15 до 30 мас. %.

Наиболее эффективным способом снижения теплопроводности можно считать повышение пористости материала с размером пор ниже предельного (< 1 мм) для обеспечения радиационной теплопередачи. Если каркас керамики образован диэлектриком с температурной зависимостью Л—1/t, способы повышения теплоизоляционных свойств при невысоких температурах (от 700 до 800 °С) весьма эффективны. Для керамики из диэлектриков, для которых Л-t, в широком интервале температур (100—1500 °С) эффективность несколько ниже. Видимо, этим можно объяснить, что теплопроводность материала из НБС-микросфер при пористости - 70 % снизилась всего в 4 раза по сравнению с компактным материалом того же состава, а для композитов из микросфер Al2O3 и НБС при практически такой же пористости (70—76 %) в 10—15 раз. Величина коэффициента теплопроводности материала на основе микросфер Al2O3 с 5 мас. % TiO2 при нормальной температуре 1,2 Вт/(м*°C), что также значительно ниже коэффициента теплопроводности компактного материала аналогичного состава.

Авторами были также изучены свойства композитов системы тугоплавкие соединения - микросферы. Результаты исследований приведены в табл. 18.26.

Видно, что у полученных материалов величина коэффициента теплопроводности в 3—15 раз ниже значений этой величины для материалов матриц.

Из сравнения значений коэффициентов линейного термического расширения разработанных материалов и материалов матриц видно, что они имеют примерно один, и достаточно низкий, уровень, т.е. полученные материалы сохранили это ценное свойство тугоплавких соединений.

При конструировании высокотемпературных установок необходимы сведения о термическом расширении используемых материалов. Термическое расширение при повышении температуры связано с ростом амплитуды колебаний атомов относительно их среднего положения. Абсолютная величина коэффициента термического расширения, как правило, зависит от строения решетки и прочности химических связей. У материалов с очень прочными связями этот коэффициент имеет низкие значения.

Интересно, что коэффициент термического расширения мало меняется при высоких температурах. При повышении температуры наблюдается небольшое увеличение термического расширения вследствие образования равновесных точечных дефектов в материале.

Пористость материалов, по мнению авторов, не оказывает влияния на термическое расширение в том случае, если твердая фаза непрерывная.

Значения коэффициента линейного термического расширения в интервале 20—1100 °С для материалов различных составов приведены в табл. 18.26 и на рис. 18.29.

Из результатов, приведенных в табл. 18.26, видно, что в композиционном материале Al2O3-HBC с увеличением количества НБС-микросфер коэффициент термического расширения незначительно уменьшается, что, по-видимому, связано с большим количеством муллита в структуре материала (при комнатной температуре для Al2O3 а = 8,3*10в-6 °С-1, для SAl2O3 * 2SiО2 а = 4,5*10в-6 °С).

Зависимость коэффициента термического расширения материала из НБС-микросфер от температуры приведена на рис. 18.29. Резкое увеличение а в интервале температур 120—280 °С, возможно, вызвано образованием некоторого количества а-кристобалита, протекание полиморфного превращения в этом температурном интервале подтверждается также наличием экзоэффекта на кривой ДТА.

Другая важнейшая характеристика, используемая для обоснования работоспособности материалов в качестве теплозащитных, — термопрочность определяет способность твердого тела выдерживать без разрушения термические напряжения, возникающие при неравномерном нагреве или охлаждении вследствие несвободного расширения отдельных его зон.

В наиболее общем виде максимальные термические напряжения (of) в образцах произвольного сечения и при любом характере теплового нагружения согласно могут быть определены по уравнению
Свойства композиционных материалов на основе микросфер

где ot — коэффициент линейного термического расширения; AT — максимальный мгновенный перепад температуры в поперечном сечении; Кф — коэффициент формы (Кф = 1 для простых по форме тел - прямоугольных пластинок, цилиндров); u — коэффициент Пуассона.

Испытания термопрочности полученных материалов проводили качественным методом, позволяющим проводить сравнительную оценку термопрочности материалов при циклическом тепловом воздействии.

Образцы цилиндрической формы диаметром 10 мм и высотой 15 мм нагревали до температуры 1000 °С на воздухе и охлаждали в воде.

На образцах составов, об. %: 80TiC-20Al2O3, 80TiB2-20Аl2O3, 80ZrC-20Al2O3, 80ZrB2-20Al2O3, 75TiB2-25HБC, 75ZrB2-25HBC, 50TiB2-50ГC, 55ZrB2-45ГС не было обнаружено появления трещин при пятнадцати кратном циклическом тепловом воздействии.

На поверхности образцов составов 75ZrC-25ГС, 75ZrC-25НБС, 50TiC-50ГС и 50TiC-50HБC при трех-четырехкратном циклическом тепловом воздействии появились трещины и началось отслаивание окалины.

Было установлено, что материалы на основе боридов имеют большую стойкость к окислению, чем материалы на основе карбидов. Нами изучена стойкость к окислению материалов TiB2 и ZrB2 с углеродными и оксидными микросферами. Наилучшие результаты получены на образцах TiB2-Al2O3 и ZrB2-Al2O3, что объясняется образованием на их поверхности стеклообразных вязкотекущих пленок, содержащих B2O3. Эти материалы работоспособны до температур 1600 °С без применения защитных покрытий.

Оценку термической стойкости материалов проводили по потере механической прочности после нагрева до температур 200, 500, 800 и 1100 °С и охлаждения (на воздухе и в воде). Термическую прочность материалов выражали как остаточную механическую прочность в процентах от первоначальной после теплосмены [(о/о0)*100].

Остаточная прочность на сжатие после нагрева до температур 200, 500, 800 и 1100 °С и охлаждения на воздухе и в воде для материалов Al2O3-HБC (с содержанием 15, 20, 25 и 30 мас. % НБС-микросфер) представлена ни рис. 18.30. Нагрев до вышеперечисленных температур и последующее охлаждение на воздухе не приводят к снижению прочности на сжатие. С повышением температуры предварительного нагрева и последующего охлаждения в воде наблюдается снижение прочности для всех составов. Hагрев 1100 °С и последующее охлаждение в воде приводит к снижению прочности нм 36-46 %.

На образцах состава 75Аl2O3-25НБС не обнаружено появления трещин при пятнадцатикратном циклическом нагружении (нагрев до температуры 1100 °C и охлаждение на воздухе или в воде). Максимальную потерю прочности при этом наблюдали после первого цикла (- 45 %), после 15 циклов она достигала 55 % (рис. 18.31).

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: