Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Аналитический обзор 10
1.1 Теория и практика микроволнового нагрева 10
1.1.1 Взаимодействие электромагнитного поля с веществом 10
1.1.2 Радиопрозрачные и радиопоглошдющие материалы^ 13
1.1.3 «Микроволновые эффекты» при микроволновом нагреве 14
1.1.4. Техника микроволнового нагрева 19
1.2 Получение материалов в системе А120з - Zr02 21
1.2.1 Высокопрочные материалы на основе А120з и Zr02 21
1.2.2 Получение материалов методом направленной кристаллизации эвтектики Al203-Zr02 (Y203) 28
1.2.3 Трансформационное упрочнение поликристаллических материалов 29
1.3 Микроволновый синтез материалов в системе Al203-Zr02 34 1.3.1 Конструкционные материалы системы А120з - Zr02 34
1.4 Выводы по литературному обзору 50
Глава 2 Характеризация сырьевых материалов, подготовка смесей, изготовление образцов и методы исследования 54
2.1 Основные компоненты и модификаторы 54
2.2 Подготовка смесей, изготовление образцов 57
2.3 Методы исследования и анализа 59
Выводы по 2 главе 69
Глава 3 Техника микроволнового нагрева 70
3.1 Технологическая установка микроволнового нагрева
3.2 Использование термостата при MB нагреве
Выводы по 3 главе 77
Глава 4 Моделирование разогрева порошкообразных диэлектриков в электромагнитном поле СВЧ 78
4.1 Разогрев модельных объектов из порошков оксидов 78
4.2 Распределение температур в однофазном объекте, содержащем внутренние источники тепла 80
4.3 Моделирование температурных полей в объекте из АІ2О3 с включением Zr02 88
Выводы по 4 главе 91
Глава 5 Спекание порошков электрокорунда, модифицированного радиопоглощающими
веществами 92
5.1 Усадка и микроструктура спеков 92
5.2 Свойства спеков 97 Выводы по 5 главе 99
Глава 6 Синтез порошков корундоциркониевои эвтектики 100
6.1 Подготовка веществ и смесей 100
6.2 Синтез и структура порошков 105 Выводы по 6 главе 108
Глава 7 Синтез материалов в системе А1203 - Zr02 109
7.1 Синтез корундовых материалов, модифицированных цир- конийсодержащими веществами 109
7.1.1 Корундовый материал, модифицированный Zr02 * nQ
7.1.2 Корундовый материал, модифицированный корун-доциркониевой эвтектикой s
7.2 Синтез циркониевых материалов, модифицированных А1203 134
Выводы по 7 главе 148
Глава 8 Общие закономерности формирования корундовых материалов в электромагнитном поле СВЧ 151
8.1 Соединение частиц и деталей направленным разогревом^ 153
8.2 Упрочнение поверхности и объема образцов из ХС-22 микроволновым нагревом 157
Выводы по 8 главе 160
Выводы 162
Список литературы 163
- Получение материалов в системе А120з - Zr02
- Подготовка смесей, изготовление образцов
- Использование термостата при MB нагреве
- Распределение температур в однофазном объекте, содержащем внутренние источники тепла
Введение к работе
(о1ЪЪ
Актуальность работы:
Огнеупорные неметаллические композиционные материалы находят все большее применение в технике высоких температур благодаря способности работать при повышенных и очень высоких температурах, меньшим, чем у жаропрочных металлов весом, отличными диэлектрическими характеристиками, высокой химической стабильностью в газовых средах, в том числе и на воздухе. Перспективным представителем этого класса материалов являются корундоциркониевые композиты. Важной научной и технической проблемой остается обеспечение стабильности показателей прочностных характеристик оксидных материалов конструкционного назначения.
СВЧ энергетика - приобретает все большее практическое использование в ряду энергосберегающих технологий. При воздействии СВЧ поля на материалы с низкой электро- и теплопроводностью, к которым относятся большинство оксидных материалов, происходит поглощение электромагнитной энергии всем объёмом материала, а максимальный эффект наблюдается на границах сред с разными электродинамическими характеристиками, что невозможно при нагреве внешними источниками тепла.
Высокотемпературные неметаллические материалы конструкционного назначения, в виде изделий, имеют значительный разброс показателей физико-механических свойств из-за макро и микродефектов, прежде всего на границах раздела фаз. Создание нового поколения неметаллических композиционных материалов с привлечением способов эффективного управления состоянием зернограничной фазы поликристаллического тела, может быть признано перспективной и актуальной проблемой.
Работа выполнялась в соответствии с тематическим планом научпо-исследовательских работ Министерства образования Российской Федерации по направлению «Разработка способов и технологии получения новых материалов на основе силикатов и тугоплавких неорганических материалов» и в рамках гранта «Конструкционная корундовая модифицированная керамика микроволнового синтеза» выделенного Конкурсным Центром Фундаменталь-
|
«»С НАЦИОНАЛЬНАЯ SNMNOTEtCA
ного Естествознания Министерства Образования Российской Федерации по направлению «Химическая технология».
Целью работы является разработка корундовых и циркониевых материалов фазомозаичной микроструктуры под воздействием СВЧ излучения.
Основные задачи:
Моделирование структуры тепловых эффектов реализующихся при взаимодействии электромагнитного поля СВЧ микроволнового диапазона с несовершенными диэлектриками.
Разработка модели управляемою разогрева порошкообразною объекта внутренними источниками іеила.
Оптимизация параметров формирования иерархической структуры по-ликрисгаллического материала саморазогревом в электромагнитном поле СВЧ микроволнового диапазона.
Синтез представительных образцов высокотемпературных материалов конструкционного назначения в системе АІгОз^гОг-
Научная новизна:
Выявлены закономерности процесса разогрева оксидных материалов системы А^Оз^гОг в электромагнитном поле микроволнового диапазона:
Микроволновый эффект, реализующийся при разогреве несовершенных диэлектриков внутренними источниками тепловыделений проявляется в прогрессирующем поглощении энергии СВЧ колебаний преимущественно поверхностными слоями элементов структуры порошкообразного тела, приводящем к возникновению саморазвивающегося процесса контактного плавления фаз с разными электродинамическими характеристиками.
В смесях AI2O3-Z1O2 с разным уровнем поглощения электромагнитной энергии возникает эффект саморазогрева, за счет образования эвтектического расплава.
Развитие процесса контактного плавления матричных элементов структуры АІгОз^Юг с образованием высокотемпературного эвтектического расплава обеспечивает сопряжение элементов микроструктуры по принципу сваривания.
. . . і .,« v
і . .- ... -
На уровень прочности поликристаллического материала в результате нагрева внутренними источниками тепла влияют характеристики распределения выделяемого тепла между генерирующей и аккумулирующей фазами, которые поддаются контролируемому управлению.
Практическая ценность работы:
Разработан микроволновый синтез высокотемпературных материалов конструкционного назначения с использованием компонентов А1203 и Z1O2 на основе отечественных промышленных порошков.
Установлен эффект повышения прочностных характеристик корундового и циркониевого материала за счет залечивания дефектов поверхности и улучшения структуры и свойств зернофаничной фазы при использовании микроволнового отжига образцов.
Создана методика оценки распределения температуры при разофеве поликристаллических оксидных материалов, содержащих фазы разного уровня электродинамических параметров, в поле СВЧ.
Сформулированы принципы проектирования термостатирующих устройств обеспечивающих равномерный гибридный разофев объекта.
Осуществлен синтез корундоциркониевых материалов и изделий конструкционного назначения с использованием отечественных коммерческих порошков электрокорунда и диоксида циркония, фазомозаичной структуры организованной по принципу сваривания матричных элементов переохлажденным эвтектическим расплавом (оИ1Г=720±70 МПа, о"ра3р=450±50 МПа, К1с=16±2 МПа-м"2) при относительно высокой статистической надежности для неметаллических материалов (модуль Вейбулла не менее 13-Ч 5).
Апробация работы: Результаты исследований доложены на пятой Всероссийской научно-практической конференции «Керамические материалы: производство и применение» (Москва, 2003 г.), на научных семинарах 2003-2004 г.г., СПб, СПбГТИ (ТУ).
Публикации: По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, в том числе 4 статьи и тезисы доклада.
Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, 8 глав, заключения и списка литературы. Содержит 173 страниц машинописно-
і о текста, 46 рисунка, 63 таблицы, список литературы, включающий 124 наименований на 10 страницах.
Получение материалов в системе А120з - Zr02
Исследована зависимость прочности керамики от кинетических параметров спекания [38]. Прочность керамики увеличивается с уменьшением пористости и уменьшением размеров зерен поликристаллов. При спекании пористость материала уменьшается, размер зерен увеличивается. Установлена связь между кинетическими параметрами этих процессов и прочностью. В результате получен общий вид зависимости изменения прочности с от относительной пористости Z, которая должна иметь максимум. Положение максимума a(Z) зависит как от соотношения скоростей уплотнения и роста зерен, так и от механизма разрушения керамики. Комплексное исследование эволюции структуры керамики в ходе спекания, ее прочности позволяет с большей надежностью судить о механизмах спекания и разрушения, а так же использовать детерминированное моделирование в технологии конструкционной и огнеупорной керамики.
В настоящее время система оксид алюминия и диоксид циркония является объектом наибольшего количества исследований вследствие высокого модуля упругости А1203 (до 400 ГПа), что позволяет создать высокие напряжения на включениях ZrC 2 и наиболее благоприятствует сохранению его в тетрагональной форме [39-40]. Кроме того, у AI2O3 и Z1O2 практически от сутствует взаимная растворимость при высоких температурах, что также способствует реализации фазового упрочнения. Установлена минимальная объёмная доля зерен Zr02, равная 5.0-7.5 %, которая эффективно препятствует росту зерен А120з.
Эффект трансформационного упрочнения композита А Оз - 2Юг усиливается с повышением однородности распределения ZrCb, поэтому введение диоксида циркония осуществляется в виде раствора солей намолом циркониевых мелящих тел, а также золь-гель процесса. Неравномерное распределение диоксида циркония приводит к укрупнению зерен компонентов и снижению механической прочности. При сухом приготовлении порошка возможно также образование крупных агломератов, что приводит к неравномерному уплотнению вследствие дифференциального спекания и образованию трещин, которые снижают прочность композита.
При введении частиц чистого диоксида циркония в матрицу оксида алюминия коэффициент трещиностойкости (Кіс) керамики возрастает с увеличением объемной доли диоксида циркония до определённой величины (20-25 % ZrC ) и затем снижается. Уменьшение размера вводимых частиц ZrC 2 приводит к одновременному росту Кіс и прочности.
Установлено, что с ростом концентрации диоксид циркония уменьшается относительное содержание тетрагональной фазы, причем особенно резко после - 7.5 мас.% Zr02 и нагревания выше 1600 С. При этом заметно снижается модуль Юнга, что объясняют присутствием микротрещин, размер которых зависит от размеров зерен обоих компонентов.
Самая прочная (5ИЗГ до 1200-1500 МПа) керамика в этой системе получена в результате применения метода совместного осаждения из растворов солей по технологии золя-геля с последующим горячим прессованием [41].
Проведены исследования сохранения метастабильной тетрагональной фазы и влияния образующихся напряжений на вязкость разрушения [42] материалов на основе Zr02 стабилизированного У20з в интервале от 0 до 7.5 мол. %. Порошок Zr02 смешивали с нитратом иттрия в метаноле, затем су шили на воздухе и прокаливали при температуре 400 С в течение 4 ч. Отпрессованные образцы спекали в воздушной среде при температурах 900 и 1650 С. Относительная плотность образцов после спекания составляла 88-93 %. В результате получено, что сохранение тетрагональной фазы диоксида циркония зависит от количества, плотности и размера зерна стабилизатора. Максимальный размер зерна для Zr02 стабилизированного 2-3 мол. % Y2O3 составляет 0.2-1 мкм. Zr02 стабилизированный до 1.5-2 мол. % У203 характеризуется образованием моноклинной фазы ( 10 %) и тетрагональной и такой материал обладает низким значением Kic. Использование стабилизатора в интервале от 2 до 2.5 мол. % привело к образованию только тетрагональной фазы диоксида циркония. Для композиции Zr02 -3.0-7.5 мол. % У203 моноклинная фаза не обнаружена, по мере увеличения количества стабилизатора зафиксирован рост кубической фазы, уменьшение тетрагональной формы Zr02 и уменьшение Кіс от 6.5 МПа-м до 3.0 МПа-м .
Для упрочнения материалов на основе А120з - Zr02 системы вводят стабилизирующие добавки. В качестве добавок используют MgO, У20з, СаО, NiO, La203, Еи20з, СеОг в таком количестве, чтобы не обеспечивалась полная стабилизация. В [43] приведены результаты изучения микроструктуры и некоторых свойств керамических материалов в системе Al2C 3-Zr02 с добавкой Y203. В этой системе образуется эвтектика, соответствующая молярной доле Zr02 - 45% по данным [44] или 30% по данным [45]. Для получения мелкокристаллического строения керамики использовали эвтектический состав, соответствующий молярной доле Zr02 30%. В качестве стабилизирующей добавки вводили Y203, молярную долю которого варьировали от 1 до 8% по отношению к Zr02. Для изготовления керамики использовали высокодисперсные порошки с размером агрегатов 0.5 - 1.0 мкм и равномерным распределением компонентов по объёму. В массах с молярной долей оксида иттрия более 5 % Zr02 находится в кубической модификации.
Наибольшей прочностью характеризуются образцы из масс с молярной долей Y203 - 3%, так как размер кристаллов фазы диоксида циркония мень ше критического, при котором тетрагональная модификация переходит в моноклинную.
Образцы из масс с молярной долей У20з 3%, полученные методом горячего литья и обожженные в вакууме при 1720 С, характеризуются высокоплотным мелкозернистым строением и пределом прочности при изгибе 850 -1150 МПа, то есть существенно большим, чем у образцов полученных методом полусухого прессования.
Образцы, обжигаемые в воздушной среде при 1650 С, имеют плотность 99% от теоретической и мелкозернистое строение. Однако в этих условиях обжига в структуре остаются округлые поры размерами 1-2 мкм, равномерно расположенные по объёму материала. Образцы характеризуются пределом прочности при изгибе 650 - 800 МПа. При этом после их повторного нагрева в воздушной среде при 1200 - 1400 С прочность практически не изменяется [43].
Наиболее широко в отечественной и зарубежной практике для многих областей техники используют плотную корундовую керамику, обладающую свойствами, необходимыми для изготовления разнообразных изделий: высокой механической прочностью, твердостью, износостойкостью, огнеупорностью, теплопроводностью и химической стойкостью [46]. На основе корунда создано большое количество высококачественных материалов для электроники и электротехники, а так же конструкционного назначения. Исследование технологии, свойств и эксплуатации корундовых изделий показали, что наиболее приемлемыми для большинства областей применения являются практически беспористые изделия с мелкокристаллической и равномерной структурой. Прочностные параметры корундовых материалов в зависимости от вида добавок и методов изготовления изделий колеблются в пределах 300-750 МПа. Предел прочности при изгибе 700-750 МПа может быть достигнут
Подготовка смесей, изготовление образцов
Формирование структуры шихты осуществляли путем распределения по поверхности частиц оксида (наполнитель) модифицирующей добавки (раствор соли), что в наибольшей степени обеспечивает формирование функциональной структуры шихты. Порядок физических операций: 1. Получение раствора модификатора. Порошок соли металла растворяли при t=60-70 С в дистиллированной воде, до получения прозрачного раствора. Раствор охлаждали до комнатной температуры. 2. Смешение компонентов и осаждение модификатора: В полученный раствор, при постоянном перемешивании порциями добавляли 25% NH4OH (аммиачная вода) до тех пор, пока среда не стала ще лочной (рН Ю), проверяли по индикаторной бумаге. Происходило образование хлопьевидного белого осадка. Для отделения осадка использовали метод фильтрации жидкости через фильтр под разряжением. Осадок размешивали в растворе и порциями наливали в воронку, на бумажный фильтр. Потом включали насос, который откачивал воздух из колбы, куда сливался раствор. Если жидкость была мутной, то ее еще раз фильтровали. Осадок на фильтре промывали дистиллированной водой до рН среды «7 для удаления остатков ионов: NH/, S042", СГ. Отфильтрованный осадок сушили на песчаной бане при температуре 50-60С до влажности 8-10%. 5. Гранулирование и прессование образцов на гидравлическом прессе: Перед прессованием массу гранулировали протиранием через капроно вое сито с размером ячейки 0,25 мм для повышения сыпучести и лучшего за полнения объема пресс-формы. Засыпали порошок в пресс-форму равномер но по всему ее объему, далее выравнивали поверхность насыпанного порош ка и немного утрясали, для избежания неравномерности распределения плот ности по длине сырца. При прессовании давление прессования подавалось равномерно, и при максимальном давлении прессования Руд=100 МПа делали выдержку 10 секунд. Снимали нагрузку также равномерно для снижения уп ругих деформаций, Образцы имели форму и размеры: цилиндры 10x10 мм, диски с отверстием DKap=20 мм, dBHJTp=4 мм, бруски 45х6х5±0.5 мм, Определение кажущейся плотности, общей и открытой пористости, и водопоглощения нормировано ГОСТ 2409 - 95 Усадку или рост определяли по изменению размеров образцов до и после обжига согласно ГОСТ 5402-81. 2.3.2 Определение дисперсности порошков
Гранулометрический состав порошков определяли с использованием оптического анализатора микросайзер 201 А. Принцип действия основан на эффекте рассеяния лазерного луча частицами суспензии.
Индикатриса определяется размером частиц г и описывается выражением: Методика подготовки порошка и формирования суспензии зависят от физических и химических свойств исследуемого вещества. Для значительной части оксидных материалов, включая огнеупоры, оптимальные условия следующие: -дисперсионная среда — дистиллированная вода; -стабилизатор суспензии - пирофосфат (концентрация около 1 г/л); -время ультразвукового диспергирования - от 10 до 150 сек (определяет средний размер частиц порошка). ф Исследование веществ и материалов проводили на дериватографе марки Q-1500D в воздушной атмосфере. Данные DTA, TG и TTG обрабатывали с использованием программы "Термо". При проведении экспериментов порошкообразные вещества нагревали в корундовых тиглях. В качестве эталона использовали оксид алюминия. ф Для изучения структуры синтезированных материалов в отражённом свете изготавливали полированные аншлифы по поперечному сечению об-разца или его части площадью до 1 см . Шлифование и полирование производили вручную на плоском стекле, без больших вертикальных усилий. В качестве абразивного материала использовали алмазные пасты марки АСМ. Качество полирования поверхности контролировали просмотром аншлифа под микроскопом. Использован РЭМ JSM-35CF исследовательский многофункциональный прибор, предназначенный для наблюдения топографического контраста во вторичных электронах, а также для получения информации о составе, структуре, порошкообразных и монолитных объектов [105-107]. Образец в виде порошка, полированного аншлифа или скола поверхно сти закрепляли на пьедестале и с помощью графитового коллоида обеспечи вали заземление и для удаления заряда, образующегося на поверхности об разца под воздействием пучка электронов. При исследовании непроводящих материалов производили металлизирование анализированной поверхности плёнкой золота, толщиной порядка 100 нм, путём катодного распыления, после чего образец выставляем в плоскость кассеты и помещали в микроскоп, Фиксирование образцов на латунных подставках осуществляли с помощью капли коллоидного серебряного клея, а также делали дорожки от образца к подложке, для обеспечения надёжного заземления и для удаления заряда, образующегося на поверхности образца под воздействием пучка электронов.
Для анализа использовали порошки и аншлифы. Съёмка рентгенограмм проводили при комнатной температуре на установке ДРОН 3 на Сика — излучении. Скорость съёмки 2 град/мин. Промеры рентгенограмм выполнены с погрешностью до ±0.1 мм.
Сущность анализа сводится к сопоставлению экспериментально определенных значений межплоскостных расстояний d и относительных интен-сивностей линий с эталонными значениями [109-110].
Упругие характеристики исследуемых материалов изучали динамическим методом на приборе "Звук-107". В образце с помощью звуковых сигналов возбуждают продольные колебания переменной частоты и определяют частоту, при которой произойдет резонанс (совпадение частоты возбужденных и собственных колебаний). Использовали образцы бруски. Количество параллельных определений 5-7 раз. Модуль упругости для образцов расчитывали по формуле:
Определение показателей прочности на изгиб Метод заключается в разрушении образца, свободно лежащего на двух опорах силой, приложенной посередине пролета (трехточечный изгиб сосредоточенной силой), при регистрации разрушающей нагрузки, в условиях кратковременного статического нагружения.
Отбор образцов производится в соответствии с требованиями ГОСТ 20559-75. Образцы имели форму бруска прямоугольного сечения с размерами: 40x5x3.5±0.5 мм, 60хбх4±0.5 мм. При обработке образца и снятия фасок, шлифование проводили вдоль его продольной оси. После обработки образцы промывали и просушивали. Проводили контроль и сортировку, на поверхности образцов не должно быть сколов, трещин или иных дефектов.
Скорость относительного перемещения точек приложения нагрузки к испытуемым образцам была постоянной, и находилась в пределах 0.25 - 0.30 мм/мин. Измерение усилия осуществлялось датчиком, обеспечивающим непрерывную регистрацию силы с погрешностью не более 1 %.
Использование термостата при MB нагреве
При использовании микроволнового нагрева теоретически не существует верхнего предела получаемых температур, однако, необходимость сохранения тепла в изделии приводит к созданию термостатов с совершенно особыми свойствами. При прямом микроволновом нагреве материалов на ос нове Zr02 низкая теплопроводность и сильная зависимость электрических свойств от температуры в большинстве случаев приводили к возникновению лавинообразного роста температуры и разрушению изделия даже при малой мощности. Формирование гибридной схемы нагрева за счет комбинирования в теплоизоляции материалов с различным уровнем поглощения снижает риск возникновения лавинообразного роста температуры. Термостат состоит из следующих элементов: охранное корундовое кольцо диаметром - 50 70 мм, высотой -15 мм с отверстиями для ввода термопары и световода, корундовая наборная крышка, накрывающая кольцо и подложка из корунда, на которую устанавливаются образцы - эти изделия выполняются из особоплотного корунда, составляя собой рабочую камеру, и служат, для того чтобы не допустить контакта образцов в случае расплавления отдельных элементов теплоизоляции. Объем рабочего пространства камеры может меняться в зависимости от размера образцов, так как заполнение должно быть максимальным, чтобы уменьшить возникающий градиент при нагреве в электромагнитном поле СВЧ; теплоизоляционный пакет двухслойный содержит внутри: стенки термостата, крышку, подставку выполненную из корундового легковеса, между стенками термостата и рабочей камерой, в свободное пространство засыпается пористый материал на основе корундовых сфер, на периферии помещено несколько слоев муллито-кремниземистой ваты для улучшения теплоизолирующих свойств термостата. Термостат схематично показан на рис. 6.
Данный термостат проявляет отличные теплоизоляционные (в силу своей пористой структуры), механические и конструкционные свойства, а также он радиопрозрачен для микроволнового излучения. Что в конечном итоге позволяет добиться высокой температуры нагрева обжигов исследования.
Главным условием формирования однородного температурного поля в объеме рабочей камеры является заполнение всего объема образцами одного состава. Так как опыт совместного нагрева образцов с содержанием 5, 15 и 30 мас.% диоксида циркония показал наличие значительных расхождений в индивидуальных температурах образцов с различным содержанием диоксида циркония. При средней температуре 1600 С образцы, содержащие 30 мае. % ZrOz полностью расплавились, образцы, содержащие 15 мас.% 7лОг частично деформировались, исходную форму сохранили только образцы с содержанием 5 мас.% Zr02.
Термостат устанавливали в центре камеры-резонатора микроволновой печи и производили центровку по световому зайчику относительно световода и термопары. Скорость подъема температуры определяли по показаниям ИК-радиометра. Конечную температуру фиксировали путем введения в рабочую камеру термостата термопары (ГШ1) при выключенном питании. Разброс по казаний термопары относительно фиксированного показания микропирометра составлял ±40 С.
Образцы корундового состава, модифицированные радиопоглощагощей добавкой диоксида циркония, эвтектического состава и циркониевые, модифицированные оксидом алюминия прессовали следующих размеров: цилиндры высотой и диаметром 10 мм, на которых подбирали оптимальный режим нагрева для каждого состава, диски диаметром 20 мм с центральным отверстием 4 мм - для испытаний на прочность методом диаметрального сжатия, бруски 70x6x5 мм, 45x6x5 мм - для изучения предела прочности при изгибе и коэффициента трещиностойкости.
Предварительный нагрев внешними источниками тепла полуфабрикатов формы — брусков осуществляли для удаления оставшихся в сырце продуктов разложения солей и для частичной усадки образцов (линейная усадка 8-Ю %) в интервале температур 20-1500 С со скоростью нагрева 3-5 С/мин. Далее проводили нагрев внутренними источниками тепла для сырцов (цилиндры, диски) и термообработанных брусков 20-1000 С - 20+25 С/мин, 1000-1600 С - 50+60 С/мин.
Охлаждение образцов осуществляли со средней скоростью 25 С/мин постепенным снижением СВЧ мощности, для избежания возникновения дефектов структуры. Серия состояла из семи обжигов, включая обжиги, в которых (убегание температуры, разрушение внутренних частей термостата, неадекватные показания датчика микропирометра, неоднородность электромагнитного поля в рабочем объеме) часть нагреваемых образцов имели значительные дефекты.
В реальных условиях микроволнового нагрева, обусловленного волновым характером электромагнитного поля и неравномерностью распределения напряженности по объёму материала, происходит перегрев одних участков относительно других. В начальный момент времени в радиопрозрачном материале, к которым можно отнести оксид алюминия помещенным в электромагнитное поле СВЧ, все элементы объема нагреваемого объекта поглощают одинаковую долго микроволновой энергии, преобразуя её в тепловую. В дальнейшем из-за разных условий теплопередачи поверхностными и внутренними частями тела, в объекте формируется градиент температур. Различия в температурах внутренних и внешних элементов приводят к различному изменению уровня поглощения микроволновой энергии. Внутренние элементы объема начинают быстрее нагреваться, постоянно увеличивая разницу температур между центром объекта и его поверхностью. В определенных условиях это приводит к лавинообразному росту температуры в образце, когда управление процесса нагрева становится невозможным. В этих условиях скорость повышения температуры может достигать до 1000 С/мин, примером тому служит разогрев образцов из карбидкремния до свечения за несколько секунд.
Электрические характеристики оксидов алюминия и циркония различаются между собой на 3-6 порядков в интервале исследованных температур. Кроме того электропроводность оксидов алюминия и циркония значительно повышается с ростом температуры, что должно приводить к повышению удельной мощности, поглощаемой материалом в поле СВЧ по мере его разогрева - эффект саморазогрева. Более высокие значения электропроводности Zr02 (на 4-5 порядков) по сравнению А120з должны приводить к опережающему разогреву зерен этой фазы при совместном присутствии их в смеси. Скорость изменения температуры в зонах размещения зерен ZrC 2 может в 1,5 раза превышать, скорость изменения температуры объема, что приводит к росту градиента температур между генерирующей и поглощающей фазами материала от 200 до 500 С, и появлению расплава в структуре материала, когда температура поверхности объекта в зависимости от скорости разогрева составляет 1200 - 1400 С. Образование расплава приводит к росту проводимости, в расплаве увеличивается объем материала, температура которого превышает эвтектическую. Увеличение объема расплава приводит к дальнейшему росту температуры. Расчеты на модели показали, что применение MB нагрева сопровождается эффектом саморазогрева, который в основном
связан с появлением эвтектического расплава в зонах концентрации радиопо-глощающих элементов, в первую очередь зависит от скорости подъема температуры объекта. При увеличении скорости нагрева поверхности объекта из АІ Оз от 10 до 100 С/мин, температура включений из Zr02 может изменяться со скоростью 150С/мин.
Распределение температур в однофазном объекте, содержащем внутренние источники тепла
Программа COSMOS/M позволяет выполнять линейный и нелинейный статический и динамический анализ одно-, двух- и трехмерных структур методом конечных элементов.
Полиэлементная модель, в которой отдельные элементы имеют одинаковый объем и могут рассматриваться как фазы с присущими им диэлектрическими и физическими параметрами, включает рабочую камеру, заполненную нагреваемым материалом, заключенную в теплоизоляцию и представляет собой призму восьмиугольного сечения сложенную из конечных элементов одинакового размера, каждый из которых представляет собой трехмерное тело с шестью узлами [116]. Сечение призмы состоит из 28 центральных элементов, моделирующих по размерам и свойствам нагреваемый объект и соответственно 74 периферийных элементов, моделирующих теплоизоляцию Для расчета температурных полей в объекте использовали следующие параметры: размер нагреваемого объекта, истинная плотность материалов объекта и теплоизоляции, температурные зависимости теплопроводности и теплоемкости; условия теплоотдачи с поверхности и скорость изменения температуры поверхности объекта. Коэффициент генерации элементов объекта задавали пропорционально температурной зависимости электропроводности радиопоглощающих фаз материала.
Для проведения сравнительных оценок распределения температур при традиционном и микроволновом нагреве проведены расчеты распределения температур по объему нагреваемого объекта, при радиационном нагреве внешними и внутренними источниками тепла. Радиационный нагрев внешними источниками тепла
Тело нагревается, за счет тепла, поступающего из окружающего пространства. В качестве объекта нагрева принят корунд со следующими тепло-физическими свойствами:
Радиационный нагрев внутренними источниками тепла Объект - корундовый образец, с теми же свойствами и размером, как в предыдущем случае, погружен в теплоизоляцию, выполненную из корунда плотностью 0,5 кг/м находится в электромагнитном поле СВЧ. При данном способе нагрева материал играет роль нагревателя.
Для расчета принимали допущение: 1) количество поглощенной энергии единицей объема диэлектрика (элемент объекта) соответствует выделенному количеству тепла, который задаем коэффициентом тепловой генерации. 2) Изменение величины коэффициента тепловой генерации от температуры соответствуют температурной зависимости коэффициента потерь оксида алюминия (eMg5), электропроводности диоксида циркония. Уровень величин коэффициента генерации принимали по результатам физического моделирования и практических нагревов (табл. 24).
В результате применения термостата, за счет снижения теплопотерь в окружающую среду, происходит выравнивание температур по объему объекта и градиент при конечной температуре составляет 300 С. Выдержка при конечной температуре в течение 5 мин практически приводит к выравниванию температуры объекта, когда градиент будет составлять не более 30 С.
Проведены расчеты зависимости величины возможного градиента температур по объему рабочей камеры термостата от основных, как показали результаты физического моделирования, функциональных параметров:
При тех же входных параметрах рост скорости нагрева объекта от 25 до 100 С/мин приводит к значительному росту градиента температуры, величина которого меняется от 300 С при скорости нагрева 25 С/мин до 500 С при 100 С/мин. Результаты расчетов приведены в таблицах 25, 26 и 27.
