Введение к работе
Актуальность. При производстве керамических изделий традиционно используют массы на основе глинистого сырья и корректирующих добавок, характеризующиеся высокой усадкой. В результате усадочных явлений при сушке и обжиге в материале происходит накопление излишних напряжений, которые ведут к деформации изделий в процессе их термической обработки. В связи с этим получение малоусадочных материалов, особенно при изготовлении крупногабаритных изделий и изделий технической керамики, является актуальной задачей, для решения которой необходимо выявление основных закономерностей формирования плотных малопористых структур в алюмосиликатных системах.
Решение поставленной задачи возможно с использованием двух технологических приемов, которые могут быть использованы как по отдельности, так и в комбинации:
использование дисперсного наполнителя, создающего устойчивый каркас из относительно крупных зерен;
получение малоусадочной керамической матрицы на основе искусственных керамических вяжущих.
Работа выполнялась в рамках Государственного задания на 2012-2014 гг. «Исследование процессов активации и наномодифицирования аморфного и кристаллического сырья и разработка теоретических основ высокотехнологичного синтеза композитов» (№ проекта 3.4480.2011), федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы», Программы стратегического развития БГТУ им. В.Г. Шухова.
Цель работы: разработка технологии малоусадочных керамических композиционных материалов фарфоро-фаянсового состава.
В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие задачи:
разработка технологии дисперсного шамотного наполнителя фарфоро-фаянсового состава;
изучение физико-механических свойств образцов керамики на основе шамотированных фарфоро-фаянсовых масс с использованием природного глинистого сырья в основе матрицы получаемого композита;
получение и исследование свойств искусственных керамических вяжущих как матрицы малоусадочных композитов;
получение и изучение особенностей формирования свойств малоусадочных композиционных материалов на основе искусственных керамических вяжущих и шамотного наполнителя.
Научная новизна.
Разработаны основы технологии малоусадочных керамических композитов фарфоро-фаянсового состава, заключающиеся в изменении системы подготовки основных фаз (матрицы и наполнителя) за счет двухстадийной термообработки. На первой стадии происходит обжиг дисперсного шамотного наполнителя и термоактивация сырьевых материалов для матрицы с последующей дополнительной механоактивацией термоактивированной массы при получении искусственных керамических вяжущих. Смешение и формование осуществляется при условии достижения максимальной плотности упаковки с сохранением необходимых реотехнологических свойств системы. На второй стадии обжига происходит формирование основных физико-механических свойств композита.
Вывод процессов термического разложения на стадию термоактивации и снижение общей влажности литьевой системы обеспечивает резкое сокращение усадочных явлений при сохранении реакционной способности.
Показано, что температура предварительного обжига наполнителя, составляющая 90-95% от конечной температуры обжига композита, обусловливает его остаточную активность и возможность снятия деформационных напряжений на границе раздела фаз в изделии.
Предложена методика оценки эффективности использования дисперсного шамотного наполнителя по коэффициенту эффективности (Кэф), учитывающая совокупность структурно-механических характеристик литьевых систем (плотность упаковки, вязкость). Значения Кэф показывают снижение абсолютной влажности литейного шликера при сохранении необходимых реотехнологических свойств на каждый процент вводимого шамотного наполнителя.
На защиту выносятся:
основы технологии малоусадочных керамических композитов фарфоро-фаянсового составов;
методика оценки эффективности использования шамотных наполнителей для фарфоро-фаянсовых масс;
закономерности формирования структуры и свойств керамических композитов на искусственных керамических вяжущих и наполнителях.
Практическая значимость работы.
Разработана технология получения малоусадочных композиционных материалов на основе искусственных керамических вяжущих и гранулированных заполнителей фарфоро-фаянсового состава, которая может найти применение в производстве тонкой керамики, санитарно-технических и крупногабаритных изделий различного назначения. Полученные композиты по физико-механическим характеристикам в 1,5-2
раза опережают показатели прочности фарфоро-фаянсовых изделий, получаемых по традиционным технологиям. Модифицирование литьевой суспензии шамотным наполнителем позволяет сократить усадочные явления практически в 3 раза. Это приводит к устранению деформаций изделий в процессе обжига, а, следовательно, повышению качества готовых изделий.
Показаны зависимости влияния количества наполнителя на литейные характеристики шликеров на основе природного глинистого сырья и искусственных керамических вяжущих. В первом случае оптимальное содержание наполнителя составляет 40%, при этом обеспечивается снижение литейной влажности до 30-32%. При использовании ИКВ необходимые литейные свойства достигаются при содержании наполнителя не более 30-40% и общей литейной влажности 16-18%.
Результаты работы могут быть использованы для совершенствования существующих и создания новых технологических переделов при производстве тонкой керамики.
Апробация работы. Основные положения работы представлены на VIII-й Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи НТТМ-2008 (г. Москва, 25-28 июня 2008 г.); Всероссийской научно-практической конференции «Ползуновские гранты» (г. Барнаул, 2008 г.); научно-технической конференции «Ресурсо- и энергосберегающие технологии и оборудование, экологически безопасные технологии» (г. Минск, 2009 г.); научно-практической конференции «Высокотемпературные материалы и технологии в XXI веке» (г. Москва, 12-13 ноября 2008 г.); Международной конференции с элементами научной школы для молодежи «Керамика и огнеупоры: перспективные решения и нанотехнологии» (г. Белгород, 2009, 2010 г.);
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в десяти печатных работах, включая патент и три статьи в изданиях, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов, рекомендованных ВАК РФ.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа изложена в 5 главах на 131 странице, состоит из введения, обзора литературы, методической части, трёх глав экспериментальной части, основных выводов, списка литературы, включающего 155 источник; содержит 27 таблиц, 29 рисунков.
