ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК СПЕКАНИЯ КЕРАМОМЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОМПОЗИТОВ

Лымарь Елена Анатольевна

канд. техн. наук, научный сотрудник, ОАО «Российские космические системы», г. Москва

E-mail: 4494.55@mail.ru

RESEARCH OF CERAMOMETALLIC COMPOSITES CAKING CHARACTERISTICS

Elena Lymar

scientist, candidate of engineering sciences,

OJSC "Russian space systems", Moscow 

АННОТАЦИЯ

Изучена кинетика спекания и выявлено, что основным механизмом спекания исследуемых керамометаллических композитов является процесс растворения — осаждения, контролируемый диффузией.

ABSTRACT

Caking kinetics has been examined; it has been discovered that the main mechanism of caking metal-ceramic composites under study is the dissolution — precipitation process controlled by diffusion.

Ключевые слова: спекание; композиты; кинетика

Keywords: caking; composites; kinetics

Металлокерамические композиты 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). Композиционные материалы на основе керамической матрицы и металлического наполнителя наиболее рационально применять в конструкциях, испытывающих ударные, динамические, сжимающие нагрузки с одновременным воздействием агрессивных сред, температуры, радиации.

Технологии создания строительных композиционных материалов развиваются в нескольких направлениях [1—8, 18]. Нами предложена идея получения керамических композиционных материалов с высоким содержанием металлического наполнителя методом полусухого прессования с последующей сушкой и обжигом. Особенностью получаемого материала является то, что вводимый в него металл не только исполняет роль наполнителя, но и участвует в стадиях структурообразования композита [9—7]. При обжиге керамических масс, содержащих алюминиевый наполнитель, происходят сложные физико-химические превращения. В результате термического разрушения минералов и частичного окисления алюминия появляются свободные оксиды. При этом образуется промежуточная мелко дисперсная фаза — твердый раствор.

Изучение стадий спекания необходимо для выявления основных процессов, происходящих при обжиге, а также факторов, влияющих на них. Так как при температурах от 900—1300°С процесс спекания протекает с участием жидкой фазы, реагирующей с твердой, то исследование кинетики спекания проводили методом последовательных обжигов в указанном интервале с шагом 50°С.

В основу исследований положено экспоненциальное уравнение, связывающее усадку образцов ∆l/l c продолжительностью процесса τ и температурой Т:

∆l/l=k exp(-(E/RT)) τⁿ,

где    k — предэкспоненциальный множитель;

E — кажущаяся энергия активации;

R — универсальная газовая постоянная;

n — показатель спекания.

О механизме процесса спекания судили по кажущейся энергии активации и показателю спекания.

Одним из факторов, оказывающих существенное влияние на процесс спекания, является количество эвтектического расплава, присутствующего в материале во время обжига. У материалов, содержащих от 10 до 20 % наполнителя, наблюдается уменьшение показателя n с ростом температуры, что, очевидно, связано со снижением движущей силы. Все показатели спекания находятся в пределах, характерных для процесса растворения — осаждения, контролируемого диффузией, а, следовательно, это основной процесс, лимитирующий скорость спекания композита.

Увеличение количества наполнителя привело к некоторому снижению n в рядах с Т=const. При этом уплотнение и усадка в области температуры 1250°C практически завершаются. Показатели n для исследованного температурного интервала говорят об общности механизма спекания материалов, содержащих 10—20 % наполнителя.

Важнейший показатель процесса спекания — кажущаяся энергия активации. Поскольку скорость спекания в изотермических условиях уменьшается со временем, величину Е необходимо рассчитывать в момент, соответствующий времени достижения одинаковой усадки при различных температурах обжига. Тем не менее для исследуемых материалов данный момент времени практически не достижим. Поэтому для расчета кажущейся энергии активации использовали метод неизотермического спекания.

Для анализа спекания в неизотермических условиях применяли уравнение скорости реакции, связывающее относительную усадку z с температурой:

dz/dτ=z k exp(-(E/RT))(E/RT²) ,

где z=l-(∆l/l)/(∆l/l_max), (∆l/l_max — линейная усадка при максимальной температуре обжига).

В линейных координатах это уравнение имеет вид:

ln (-ln z)=ln (-(k/v)) —E/RT ,

где v — скорость нагрева печи.

Спекание в каждом случае протекает двухстадийно: энергия активации первой стадии Е₁ изменяется в широких пределах (от 140 до 360 кДж/моль) в зависимости от давления прессования (табл. 1). 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 дисперсности исходного сырья и не зависит от давления прессования и количества вводимого наполнителя. Следовательно, энергия активации Е₂ относится непосредственно к процессу растворения - осаждения. Точка перехода соответствует температуре появления жидкой фазы в многокомпонентной системе. Температура перехода равна 1413 К, что подтверждается результатами расчетов процесса неизотермического спекания.

Таким образом, на спекание исследуемых композитов в большей степени, чем остальные факторы, влияют размер частиц тугоплавкой фазы и содержание алюминия, который в составе масс способствует увеличению количества и снижению вязкости расплава. Кинетически процесс протекает двухстадийно: до момента появления жидкой фазы в системе основным механизмом, регулирующим спекание, является перегруппировка частиц тугоплавкой фазы; после образования жидкой фазы в системе главным кинетическим процессом становится растворение — осаждение.

Таблица 1.

Влияние давления полусухого прессования композиционных материалов на энергию активации.

Наличие взаимного растворения твердой фазы в жидкой подтверждается тем, что плотный материал можно получить на основе композиций, содержащих до 20 % алюминия.

Таким образом, установлено, что кинетически процесс протекает двухстадийно: до момента появления жидкой фазы в системе основным механизмом, регулирующим спекание, является перегруппировка частиц тугоплавкой фазы; после образования жидкой фазы в системе главным кинетическим процессом становится растворение — осаждение.

Список литературы:

1.Алфимов С.И., Жуков Р.В., Володченко А.Н., Юрчук Д.В. Техногенное сырье для силикатных материалов гидратационного твердения // Современные наукоемкие технологии. — 2006. — № 2. — С. 59—60.

2.Володченко А.Н., Лесовик В.С., Алфимов С.И., Жуков С.И. Попутные продукты горнодобывающей промышленности в производстве строительных материалов // Современные наукоемкие технологии. — 2005. — № 10. — С. 79—79.

3.Володченко А.Н., Жуков Р.В., Алфимов С.И. Силикатные материалы на основе вскрышных пород Архангельской алмазоносной провинции // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки. — 2006. — № 3. — С. 67—70.

4.Володченко, А.Н., Лесовик В.С., Алфимов С.И., Володченко А.А. Регулирование свойств ячеистых силикатных бетонов на основе песчано-глинистых пород // Известия вузов. Строительство. — 2007. — № 10. — С. 4—10.

5.Володченко А.Н., Жуков Р.В., Лесовик В.С., Дороганов Е.А. Оптимизация свойств силикатных материалов на основе известково-песчано-глинистого вяжущего // Строительные материалы. — 2007. — № 4. — С. 66—69.

6.Володченко А.Н., Лесовик В.С. Повышение эффективности производства автоклавных материалов // Известия вузов. Строительство. — 2008. — № 9. — С. 10—16.

7.Володченко А.Н., Лесовик В.С. Силикатные автоклавные материалы с использованием нанодисперсного сырья // Строительные материалы. — 2008. — № 11. — С. 42—44.

8.Володченко, А.Н. Особенности взаимодействия магнезиальной глины с гидроксидом кальция при синтезе новообразований и формирование микроструктуры // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. — 2011. — № 2. — С. 51—55.

9.Ключникова Н.В., Юрьев А.М., Лымарь Е.А. Перспективные композиционные материалы на основе металлической матрицы и неметаллического наполнителя // Успехи современного естествознания. — 2004. — № 2. — С. 69—69.

10.Ключникова Н.В., Лымарь Е.А., Юрьев А.М., Проблемы совместимости керамической матрицы и металлического наполнителя при изготовлении композитов строительного назначения // Строительные материалы. — 2005. — № 11. — С. 54—56.

11.Ключникова Н.В., Лымарь Е.А. Получение металлокомпозиционных материалов // Стекло и керамика. — 2006. — № 2. — С. 33—34.

12.Ключникова Н.В. Взаимодействие между компонентами при изготовлении металлокомпозитов // Фундаментальные исследования. — 2007. — № 12-1. — С. 95—97.

13.Ключникова Н.В. Принципы создания керамометаллического композита на основе глин и металлического алюминия // Естественные и технические науки. — 2012. — № 2(58). — С. 450—452.

14.Ключникова Н.В. Термомеханическое совмещение компонентов при создании керамометаллических композитов // Сборник научных трудов Sworld по материалам международной научно-практической конференции. — 2012. — Т. 6. — № 2. — С. 65—69.

15.Ключникова Н.В. Изучение взаимодействия между компонентами при создании керамометаллических композиционных материалов // Сборник научных трудов Sworld по материалам международной научно-практической конференции. — 2011. — Т. 10. — № 4. — С. 5—8.

16.Ключникова Н.В. Керамометаллические композиционные материалы с высоким содержанием алюминия // Современные проблемы науки и образования. — 2011. — № 6. — С. 107—107.

17.Ключникова Н.В. Термомеханическое совмещение компонентов при создании керамометаллических композитов // Сборник научных трудов Sworld по материалам международной научно-практической конференции.— 2012. — Т. 6. — № 2. — С. 65 — 69.

18.Лесовик В.С., Володченко А.Н., Алфимов С.И., Жуков Р.В., Гаранин В.К. Ячеистый бетон с использованием попутнодобываемых пород архангельской алмазоносной провинции // Известия высших учебных заведений. Строительство. — 2007. — № 2. — С. 13—18.