Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Композиционные материалы на основе керамоалюминиевых связок Лымарь Елена Анатольевна

Композиционные материалы на основе керамоалюминиевых связок
<
Композиционные материалы на основе керамоалюминиевых связок Композиционные материалы на основе керамоалюминиевых связок Композиционные материалы на основе керамоалюминиевых связок Композиционные материалы на основе керамоалюминиевых связок Композиционные материалы на основе керамоалюминиевых связок Композиционные материалы на основе керамоалюминиевых связок Композиционные материалы на основе керамоалюминиевых связок Композиционные материалы на основе керамоалюминиевых связок Композиционные материалы на основе керамоалюминиевых связок Композиционные материалы на основе керамоалюминиевых связок Композиционные материалы на основе керамоалюминиевых связок Композиционные материалы на основе керамоалюминиевых связок
>

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Лымарь Елена Анатольевна. Композиционные материалы на основе керамоалюминиевых связок : диссертация ... кандидата технических наук : 05.17.11 / Лымарь Елена Анатольевна; [Место защиты: Белгород. гос. технол. ун-т им. В.Г. Шухова].- Белгород, 2007.- 155 с.: ил. РГБ ОД, 61 07-5/5552

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Современные представления о композиционных материалах 9

1.1. Основы создания металлокомпозиционных материалов 9

1.2. Основные принципы выбора матриц и наполнителей 13

1.3. Изучение процессов взаимодействия между матрицей и наполнителем 20

1.3.1.Смачивание неметаллической составляющей расплавами металлов 20

1.3.2. Виды адгезионных взаимодействий в композиционных материалах 22

1.4. Традиционные металлокомпозиционные материалы 24

1.4.1. Разновидности и физико-механические свойства металлокомпозитов 24

1.4.2. Особенности технологии изготовления металлокомпозитов 30

1.5. Современные металлокерамические композиционные материалы 35

1.6. Выводы и постановка задачи исследования 40

Глава 2. Выбор объектов и методов исследования 41

2.1. Выбор объектов исследования 41

2.2. Основные характеристики используемого сырья 42

2.3. Методы исследования 48

2.4. Методика исследования кинетики спекания 53

2.5. Методика исследования материала на порометрию 54

2.6. Выводы 58

Глава 3. Разработка керамометаллических связующих на основе глинистых масс и алюминия 59

3.1. Изготовление опытных образцов керамометаллических связующих 59

3.2. Физико-химические процессы, протекающие при термомеханическом диспергировании алюминия в глинистой составляющей 62

3.3. Модифицирование компонентов, применяемых для получения керамометаллических композитов 66

3.4. Физико-механические и эксплуатационные свойства керамо-алюминиевых связующих 74

3.5. Разработка технологии получения керамометаллических связующих 93

3.6. Выводы 95

Глава 4. Исследование спекания керамоалюминиевых связующих 96

4.1. Кинетика спекания керамоалюминиевых связующих 96

4.2. Спекание, как этап развития связей между материалами 109

4.3. Выводы 118

Глава 5. Влияние пористости на прочность керамометаллических композитов 119

5.1. Пористость керамоалюминиевых связующих 119

5.2. Исследование прочности металлокомпозитов в зависимости от их пористости 119

5.3. Выводы 123

Глава 6. Получение корундового композиционного материала на основе керамоалюминиевого связующего 124

6.1. Обоснование состава керамометаллического связующего на основе глуховецкого каолина и металлического алюминия 125

6.2. Изготовление опытных образцов корундового материала на основе керамоалюминиевого связующего 126

6.3. Физико-механические и эксплуатационные свойства корундового композиционного материала на основе электроплавленного корунда и керамоалюминиевого связующего 127

6.4. Оценка химического и фазового составов полученных материалов 132

6.5. Выводы 133

Основные выводы 134

Список литературы

Введение к работе

В настоящее время широкое внедрение композиционных материалов с металлическими матрицами в строительную промышленность сдерживается сложностью и высокой стоимостью производства таких материалов. Однако, существуют определенные "узкие" места, где традиционные строительные материалы из-за недостаточной прочности, ударной вязкости, пластичности, термостойкости и т.п., не в состоянии обеспечить необходимый уровень эксплуатационных свойств, например: аэродромные покрытия для самолетов с вертикальным взлетом, хранилища радиоактивных отходов, отделки подземных сооружений и т.д [1].

Попытка создания такого материала привела к разработке композиционных строительных материалов, получаемых на основе неметаллической составляющей и металла.

Металлокомпозиты являются перспективными материалами современной техники. Они обладают рядом ценных свойств присущих как керамике (твердость, высокая прочность, малая ползучесть), так и металлу (высокая теплопроводность, электропроводность, стойкость к ударным нагрузкам) [2].

Актуальность создания композитов, сочетающих металлическую составляющую с неметаллической глинистой, обусловлена резким ускорением исследований в области новых керамических материалов, обладающих характерными свойствами.

Придание материалу специфических свойств возможно через управление процессами структурообразования при обжиге глин в присутствии металлического алюминия. Исследование влияния металлического алюминия на физико-химические процессы при обжиге глин, определяющих физико-механические и эксплуатационные характеристики керамометаллического композита, является актуальной

5 задачей современного материаловедения, способствующей расширению номенклатуры материалов и улучшению качества выпускаемой продукции. Наиболее рационально применение металлокомпозитов в конструкциях испытывающих ударные, динамические, сжимающие нагрузки с одновременным воздействием агрессивных сред и температуры. Это могут быть несущие конструкции подземных сооружений, при возведении плотин, аэродромные покрытия, плиты полов в "горячих" цехах, в качестве защитного слоя под полами подвальных помещений и т.д.

Цель работы: создание композиционных материалов на основе керамоалюминиевых связующих.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи

обосновать выбор компонентов для получения керамометаллических связующих и композиционных материалов на их основе;

определить природу связи и механизм образования адгезионных соединений между компонентами;

изучить кинетику спекания керамоалюминиевых связующих для выявления основных процессов, происходящих при обжиге, а также факторов, влияющих на эти процессы;

разработать технологию получения керамометаллических связующих и композитов на их основе;

исследовать физико-химические свойства композитов с целью эффективного их использования.

Научная новизна работы. Установлены особенности технологии композиционных материалов на основе керамоалюминиевых связок, заключающиеся в достижении кинетической и механической

совместимости глинистого сырья и металлического алюминия термомеханическим диспергированием алюминия в глинистом компоненте с образованием частиц алюминия размером до 0,3 мм, покрытых пленками оксида алюминия и дегидратированной глины, с последующим модифицированием глинистой составляющей ионами алюминия.

Выявлено, что интенсификация спекания композита осуществляется через формирование промежуточных активированных фаз в керамоалюминиевом связующем и, в том числе за счет образования в широком температурном интервале обжига 900 - 1300 С оксидов алюминия и алюмосиликатной шпинели состава 2АІ20з"38і02.

Практическая ценность работы. Разработана технология композиционного материала основанная на предварительном получении керамометаллического связующего путем термомеханического диспергирования алюминия в количестве до 20% в глине и модификации глинистой составляющей, смешении керамоалюминиевого связующего с заполнителем, формования методом полусухого прессования с последующей сушкой и обжигом. Показано, что данная технология позволяет получать композиционные материалы от шамотного до корундового составов с температурой обжига от 1100 до 1350 С.

Полученный композиционный материал корундового состава обладает после обжига при температуре 1350 С высокими физико-механическими и эксплуатационными показателями: прочность на сжатие - до 150 МПа, водопоглощение - до 2%. Результаты исследований могут быть рекомендованы в практику проектирования конструкционных материалов, работающих при повышенных температурах и в агрессивных средах.

На разработанный композит получен патент РФ на изобретение № 2298045.

7 Основные положения, выносимые на защиту:

выбор компонентов и способа достижения совместимости глинистого сырья и металлического алюминия при получении керамометаллических связующих и композиционных материалов на их основе;

технология получения керамоалюминиевых связок и композитов;

кинетика спекания керамометаллических связующих;

- результаты исследований физико-механических и эксплуатационных
свойств керамометаллических композитов.

Апробация работы. Результаты работы представлены на научно-технических конференциях: II Международная научно-практическая конференция «Экология, образование, промышленность и здоровье» (г Белгород, 2004 г.), «Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика». 62 Всероссийская научно-техническая конференция (г. Самара, 2005 г.), Международная научно-практическая конференция «Дни науки - 2005» (г. Днепропетровск, 2005 г.), II Международная научно-практическая конференция «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии» (г. Белгород, 2005г.).

Публикации. Основные положения диссертационной работы изложены в 9-ти печатных изданиях, в том числе 4 научных журнала по списку ВАК и патент РФ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов и приложения, изложена на 155 страницах основного машинописного текста, содержит 45 рисунков, 18 таблиц и список используемой литературы, включающий 137 наименований.

В первой главе рассмотрены разновидности и физико-химические свойства традиционных и современных металлокомпозиционных материалов и основы их создания. Описаны основные принципы выбора матриц и наполнителей для получения металлокомпозитов, изучены процессы взаимодействия между компонентами в материалах.

Во второй главе представлены объекты и методы исследования, характеристика используемого сырья и материалов, приведена методика исследования и расчета кинетики спекания керамометаллического связующего, а также методика исследования композита на порометрию.

В третьей главе исследованы физико-химические процессы, происходящие при термомеханическом совмещении глинистой составляющей и алюминия, изучены физикохимия поверхности глинистой составляющей и механизм модифицирования поверхности частиц глин ионами алюминия, представлена технологическая схема получения керамометаллического композита, а также описаны его физико-механические и эксплуатационные свойства.

В четвертой главе описано участие алюминиевого наполнителя в стадиях структурообразования керамометаллического связующего, изучена кинетика спекания композита.

В пятой главе исследовано влияние пористости на прочность керамометаллических композитов.

В шестой главе приведен пример использования керамометаллического связующего при получении композиционного корундового материала с пониженной температурой спекания.

Основные принципы выбора матриц и наполнителей

Учитывая, что получение металлокомпозита предполагает взаимодействие матрицы с наполнителем и, опираясь на фундаментальные закономерности материаловедения, можно сформулировать следующие принципы выбора матрицы и наполнителя [29]: принципиальная возможность образования прочных связей между матрицей и наполнителем; сохранение связи на поверхности раздела матрица - наполнитель при изготовлении композиции (технологическая прочность); сохранение свойств в условиях длительных эксплуатационных воздействий (деградационные процессы).

На возможность установления связей между матрицами и наполнителями основное влияние оказывают их физико-механические, теплофизические и технологические свойства, а также кристаллографические параметры решеток компонентов кристаллического типа [30]. Поэтому изучение свойств матриц и наполнителей является первым шагом в осуществлении принципов подбора компонентов металлокомпозитов.

При изучении особенностей взаимодействия матриц и наполнителей необходимо учитывать большую разницу между металлическими и неметаллическими материалами, применяемыми для получения металлокомпозитов. Основные требования, которые предъявляют к неметаллической составляющей композита - высокая прочность, совместимость с металлом, как в расплаве, так и в готовом материале, термостойкость, высокая температура плавления, стабильность и др. С учетом этих требований в работе [31] был проведен анализ наиболее распространенных горных пород и искусственных материалов, которые предполагается использовать в качестве наполнителей в металлобетонах.

В настоящее время для изготовления металлобетонов используют несколько десятков разновидностей наполнителей, большинство из них, вероятно, можно применять и при изготовлении металлокомпозитов. По происхождению наполнители делят на два основных класса.

1. Природные (естественные) наполнители: а) добываемые в месторождениях и пригодные к употреблению (различные глины, песок вторичных отложений); б) сортированные (песок и гравий, получаемые сортировкой природных песчано-гравийных смесей); в) дробленые (щебень и песок, получаемые дроблением горных пород).

2. Искусственные наполнители, получаемые: а) из отходов промышленности, после механической обработки (отходы керамической и стекольной промышленности, камнепиления и пр.); б) в результате специальной переработки отходов (шлаковая пемза, гранулированный металлургический и топливный шлаки); в) из природного сырья путем вспучивания (керамзит).

Минеральные составы природных и модифицированных природных наполнителей существенно отличаются и определяются условиями образования исходных горных пород. Плотные природные горные породы -основная сырьевая база для производства наполнителей. Чаще других используются породы магматические и осадочные.

Значительным резервом в обеспечении наполнителями являются отходы различных отраслей промышленности [31, 32]. Состав и некоторые свойства важнейших минералов природных и искусственных наполнителей приведены в таблице 1.1.

Существенным преимуществом природных наполнителей является то, что они способны на своей поверхности образовывать связи за счет как физической, так и химической адгезии. При использовании искусственных наполнителей в металлокомпозитах связь образуется за счет физической адгезии. Получение металлокомпозитов с использованием искусственных наполнителей требует более низких температур. Однако, прочность таких композитов намного ниже по сравнению с металлокомпозитами на основе природных наполнителей.

Для получения металлокомпозиционных материалов используется огромное количество различных металлов и сплавов, основные свойства которых достаточно полно изучены и приведены в различных справочниках [33-35].

Основные характеристики используемого сырья

Эндоэффект, соответствующий 450 - 600 С, обязан затрате тепловой энергии на дегидратацию каолинита.

При нагревании каолинита выше 800 С наблюдается первый экзотермический эффект с максимумом примерно при 925С, который связан с образованием шпинели алюмосиликатного состава AI4SI3O12. Второй экзоэффект наблюдается при температурах 1150 - 1250С, третий при 1210 - 1320С. Эти экзотермические эффекты можно отнести к образованию муллита. Второй этап экзореакции состоит в завершении образования муллитовой фазы благодаря разрыву р-связей и переключению их в более термодинамически устойчивую (при создавшихся температурных условиях) систему -0-Si(Allv)-0-Alv,-0-.

Глуховецкий каолин отличаются высоким содержанием тонкодисперсных частиц, и имеет следующий зерновой состав: менее 1 мкм - 55-59%, 1-5 мкм - 16-23 %, 5-Ю мкм - 13-17%.

Глуховецкий каолин среднепластичен с числом пластичности 7-9, спекается при температурах 1350 - 1400 С. Цвет сухого глуховецкого каолина- 71-80% белизны. Краснояружская глины представлена следующим минералогическим составом: 22-25% каолинита, 43-45% монтмориллонита, 37-38% кварца, до 5% окислы железа, карбонат кальция, что подтверждается рентгенофазовым анализом (рис. 2.3).

Краснояружская глина, в отличие от каолина, сильно засорена сопутствующими примесями, что определяет ее низкую огнеупорность. Количество глинистого минерала монтмориллонита не превышает 50%. Основными примесями являются кварцевый песок, карбонаты, сульфаты, слюды, железистые соединения, органические примеси.

Термограммы краснояружской глины (рис. 2.4) характеризуются тремя эндоэффектами и двумя экзоэффектами. Первый значительный эндотермический эффект в интервале 70 -150 С появляется вследствие удаления межслоевой воды.

Второй эндотермический эффект возникает при 600 - 650С,который соответствует освобождению конституционной воды, после чего возникает третий эндоэффект при 830-930С, который связан с разрушением решетки и аморфизации монтмориллонита.

При температурах выше второй эндотермической остановки происходит постепенная кристаллизация новообразований. При нагревании глины выше температуры 900С происходят локальные образования расплавов, в дальнейшем содействующих образованию новых фаз: шпинелей различных составов и муллита, чему соответствуют экзотермические эффекты при температурах 980-1120 и 1100-1200 С.

Для получения керамометаллического композита применялась краснояружская глина, имеющая следующий химический состав: Si02 А1203 Ti02 Fe203 CaO MgO S03 K20 ппп 65,8 19,5 0,8 4,2 0,98 0,5 0,18 0,62 7,42. Содержание в краснояружской глине тонкодисперсной фракции менее 1 мкм - 15-20%, менее 10 мкм -30 - 40%; крупнозернистых включений (размером частиц свыше 0,5 мм) до 5%.

Монтмориллонитовые глины обладают умеренной пластичностью с числом пластичности 12-15, хорошей связующей способностью. Краснояружская глина относится к легкоплавким и неспекающимся глинам.

Алюминий ГОСТ 11069 - 74 с содержанием основного элемента алюминия по разности между 100% и суммой контролируемых примесей не менее 99,95% представлен следующим химическим составом (табл 2.1).

Алюминий имеет кубическую гранецентрированную кристаллическую решетку; плотность 2700 кг/м3 (при 20 С), 2380 кг/м3 (при 700 С), средний коэффициент термического разрушения 24,0 град 1-106 (20 - 100 С), 25,28 град ЧО6 (20 - 300 С), 27,9 град ЧО6 (20 - 500 С), 28,5 град 106 (20 - 600 С); удельную теплоемкость 895,975 дж/(кгград) (при 20 С); теплопроводность 209,34 вт/(м-град); электропроводность 26-26,5 Ом см"1; температуру плавления 660 С; прочностные характеристики достаточно низкие (на сжатие 40 - 50 МПа).

Физико-химические процессы, протекающие при термомеханическом диспергировании алюминия в глинистой составляющей

Изотермы, представленные на рисунке 3.6, указывают на мономолекулярный характер адсорбции. В изученном интервале концентраций изотермы адсорбции имеют положительный характер, с ростом равновесной концентрации модификатора (ионов А13+) в растворе до 100 мг/л для глуховецкого каолина и до 160 мг/л для краснояружской глины величина адсорбции резко возрастает, при более высоких концентрациях величина адсорбции возрастает незначительно.

Из рисунка 3.6 видно, что более высокая адсорбция ионов алюминия из водных растворов отмечена на краснояружской глине: при равновесной концентрации ионов алюминия 160 мг/л в растворе, величина адсорбции (концентрация ионов в монослое) составляет 1,67 мг/г, в то время как при равновесной концентрации ионов алюминия 100 мг/л величина адсорбции на глуховецком каолине составляет 0,98 мг/г. Адсорбция на краснояружской глине выше, чем на глуховецком каолине, что, вероятно, обусловлено более гидроксилированной поверхностью глин, а также ее структурой.

Модифицирование твердой поверхности ионами из водных растворов имеет специфические преимущества, связанные с эффектом ориентации ионов модификатора относительно поверхности сорбента за счет электростатического взаимодействия с заряженными активными центрами этого сорбента (или химического взаимодействия) [119].

Исследование адсорбции модификаторов поверхностью глин имело целью установить механизм взаимодействия адсорбата с адсорбентом.

Методами ИК - спектроскопии на поверхности глин установлено наличие гидроксильных групп, сообщающих поверхности основной характер (рис. 3.7).

Анализ инфракрасных спектров показал наличие полос у глин в области 3490 -3400 см 1, которые, согласно данным [120, 121], относятся к валентным колебаниям кристаллизационной воды (полоса 3490 см 1), а также ОН-групп и адсорбционной воды (полоса 3400 см"1). Поглощение в области 1050 - 1100 см"1, согласно данным [122], соответствует колебаниям координационно-связанных с поверхностью молекул воды. Наличие на глинах полосы 1640 см"1 соответствует деформационным колебаниям групп НОН (адсорбционная вода). Кривые спектров в области 408, 483, 570, 675, 790, 920. 970см"1 на глинах идентифицированы как Si02, А120з, Ti02, Fe203, CaO,MgO,S03,K20.

Причина появления в ИК-спектрах глин нескольких полос, принадлежащих свободным гидроксильным группам поверхности, заключается в том, что кислород ОН-группы находится в контакте с несколькими атомами металла. Атомы металла являются ближайшими соседями ОН-групп, поэтому их число должно оказывать определяющее влияние на частоту колебаний ОН-групп.

Возможность закрепления модификатора на глинистой составляющей преимущественно обусловлена наличием на ее поверхности гидроксильных групп -ОН. Причем основное значение имеют гидроксильные группы на поверхности глин, а не содержащиеся глубоко в структуре. Гидроксильные группы активны и легко вступают в реакции.

Представляет интерес изучение электрокинетических свойств поверхности глинистой составляющей, так как заряд поверхности может оказать влияние на взаимодействие основного минерала и ионами раствора, то есть на их адсорбцию.

Электрокинетический потенциал глин в дистиллированной воде отрицателен (рис. 3.8), увеличивается при снижении рН среды, переходя из отрицательного значения в положительной при рН 5.

Из кривых (рис. 3.9), отражающих зависимость электрокинетического потенциала от концентрации ионов алюминия на поверхности глин, видно, что адсорбция ионов А1 вызывает смещение % - потенциала глинистой составляющей в положительную сторону, увеличивая его с величины -36,5 мВ до -29,2 мВ для глуховецкого каолина и с величины -26,1 мВ до -19,6 мВ для краснояружской глины.

Очевидно, ионы алюминия нейтрализуют поверхностные гидроксильные ионы. Такое смещение \ - потенциала объясняется электростатическим притяжением ионов А13+ поверхностью глин, в результате чего их плотность в приповерхностном слое увеличивается. При увеличении равновесной концентрации ионов алюминия более 100 мг/л для глуховецкого каолина и 160 мг/л для краснояружской глины наблюдается некоторое смещение -потенциала в отрицательную сторону, что объясняется сжатием двойного электрического слоя [123], а также переходом электростатически связанных катионов в хемосорбированные.

Таким образом, точка излома на кривой зависимости , = f (Ср) (рис. 3.9) соответствует завершению формирования адсорбционного монослоя ионов алюминия на поверхности глин.

Вышесказанное доказывает, что взаимодействие ионов алюминия с поверхностью глин обусловлено как силами электростатического взаимодействия (физическая адсорбция), так и хемосорбцией через гидроксильные группы их поверхности, являющихся основным типом реакционных центров, по которым происходит модифицирование.

Спекание, как этап развития связей между материалами

Основным механизмом спекания исследуемых керамоалюминиевых композитов является процесс растворения - осаждения, контролируемый диффузией. Об этом свидетельствует сравнение показателей степени спекания со значениями, приводимыми для этого процесса в литературе [129, 130]. Наличие взаимного растворения твердой фазы в жидкой подтверждается тем, что плотный материал можно получить на основе композиций, содержащих до 20% алюминия.

Переход к более активному сырью приводит к существенному снижению показателя степени спекания при прочих равных условиях (температуре и продолжительности выдержки).

Таким образом, применение более активных порошков глин существенно снижает влияние временного фактора, поэтому на первый план выходят размер частиц тугоплавкой фазы, вязкость системы, толщина пограничного слоя, градиент концентраций растворимого компонента на выпуклой и вогнутой поверхностях. Именно от этой группы показателей зависит качество процесса спекания и, в конечном счете, качество керамометаллических композиционных материалов. Эти показатели определяют возможность спекания при пониженных температурах. Следовательно, наиболее эффективные способы интенсифицирования процесса спекания - активирование частиц твердой фазы, применение эвтектик, образующих расплавы с минимальной вязкостью и достаточно высоким поверхностным натяжением. Замедление процесса при повышенных температурах связано, очевидно, с уменьшением движущей силы (градиента концентраций компонентов растворимой твердой фазы на выпуклой и вогнутой поверхностях). Кроме того, система достигает практически теоретической плотности, что приводит к прекращению усадки.

Одним из факторов, оказывающих существенное влияние на процесс спекания, является количество эвтектического расплава, присутствующего в материале во время обжига. У материалов, содержащих от 5 до 20% алюминия, наблюдается уменьшение показателя спекания с ростом температуры, что, очевидно, связано со снижением движущей силы. Все показатели степени спекания находятся в пределах, характерных для процесса растворения - осаждения, контролируемого диффузией, а, следовательно, это основной процесс, лимитирующий скорость спекания композита.

Увеличение количества алюминия приводит к некоторому снижению показателя степени спекания в рядах с Т = const. Это свидетельствует о том, что большее количество металла и, соответственно, большее количество жидкой фазы в системе позволяет интенсифицировать процесс при более низких температурах. При этом уплотнение и усадка практически завершаются в области температуры 1200 С для композитов на основе глуховецкого каолина и около 1000 С для композитов, получаемых из краснояружской глины. Показатели степени спекания для исследованного температурного интервала говорят об общности механизма спекания материалов, содержащих 5-20% алюминия.

Важнейший показатель процесса спекания - кажущаяся энергия активации. Поскольку скорость спекания в изотермических условиях уменьшается со временем, величину кажущейся энергии активации необходимо рассчитывать в момент, соответствующий времени достижения одинаковой усадки при различных температурах обжига. [131].

Для анализа спекания керамометаллических связующих применяли уравнение скорости реакции (4.2), связывающее относительную усадку z с температурой: dz/dx = zk exv(-(E/RT))(E/Rf), (4.2) где 2= /-(Д///)/(А///тах), (Al/lmax - линейная усадка при максимальной температуре обжига). В линейных координатах это уравнение имеет вид:

Величину кажущейся энергии активации спекания рассчитывали по температурным зависимостям усадки композитов при одинаковом времени спекания. В этом случае строили графики в координатах lg(Al/l) - 1/Т. Полученные результаты приведены в таблице 4.2. На рисунке 4.5 показан пример определения кажущейся энергии активации для образцов состава глуховецкий каолин + 20% алюминия + хлорид алюминия. Как видно, спекание в каждом случае протекает двухстадийно: энергия активации первой стадии Е\ изменяется в широких пределах (от 150 до 296 кДж/моль) в зависимости от давления прессования (рис. 4.6 а). При постоянном давлении прессования, но с изменением количества алюминия, величина Е\ остается постоянной (рис. 4.6 б).

Отсюда следует, что кинетика процесса на первой стадии зависит исключительно от давления прессования, то есть от геометрии контактных областей частиц в образце. Повышение давления прессования приводит к более плотной упаковке частиц, что осложняет их перемещение в микрообъемах на начальной стадии спекания и обусловливает увеличение кажущейся энергии активации.

Энергия активации второй стадии процесса зависит от вида исходного сырья и не зависит от давления прессования и количества вводимого алюминия. Так, у всех материалов на основе глуховецкого каолина энергия активации составляет 228 ± 20 кДж/моль; при переходе на другие виды исходного сырья величина Е2 существенно изменяется. Следовательно, энергия активации 2 относится непосредственно к процессу растворения - осаждения.

Похожие диссертации на Композиционные материалы на основе керамоалюминиевых связок