ПРОБЛЕМЫ СОВМЕСТИМОСТИ КОМПОНЕНТОВ ПРИ СОЗДАНИИ КЕРАМОКОМПОЗИТОВ

Лымарь Елена Анатольевна

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

 г. Москва

E-mail: 4494.55@mail.ru

PROBLEMS OF COMPONENTS COMPATIBILITY WHEN MAKING CERAMOCOMPOSITES.

Elena Lymar

candidate of engineering sciences, cientist, OJSC "Russian space systems", Moscow 

АННОТАЦИЯ

Для обеспечения совместимости матрицы с металлическим наполнителем и создания однофазной структуры получаемого композита проводилась активация поверхности глин механической обработкой, термической и химической модификацией.

ABSTRACT

To provide compatibility of a matrix with a metallic filler and to create a monophase structure of a composite being made clay surface activation had been carried out using mechanical processing, thermal and chemical modification.

Ключевые слова: совместимость; активация; матрица; модификация

Key words: compatibility; activation; matrix; modification

Создание композиционных материалов стало объектом особого внимания в последние 25—30 лет. С самого начала цель создания композитов состояла в том, чтобы достичь комбинации свойств, не присущих каждому из исходных материалов в отдельности [1—8, 18].

Одним из направлений создания композиционных материалов является совмещение неметаллической матрицы с металлическим наполнителем. Композиционные материалы, сочетающие пластичный металлический наполнитель и твердые прочные неметаллические армирующие компоненты, обладают совокупностью физико-механических и эксплуатационных свойств, так как, с одной стороны, пластичный металлический наполнитель позволяет изделию работать в условиях растягивающих и изгибающих напряжений, ударных нагрузок, повышенных температур, а, с другой стороны, жесткий каркас из неметаллических гранул обеспечивает высокую прочность при сжатии. Таким образом, неметаллическая матрица дополняет металлический наполнитель, и получаемый композит превосходит по физико-механическим показателям исходные свойства наполнителя и матрицы. Удешевление композиционных материалов, по сравнению с металлическими изделиями, обеспечивается за счет замены части металла менее дорогим неметаллическим компонентом.

Металлический наполнитель имеет ряд преимуществ по сравне­нию с традиционными связующими, используемыми в строительных материалах — полимерными, цементными и другими. Эти преиму­щества создаются благодаря высокому уровню прочностных характеристик, пластичности, вязкости, хорошим литейным и технологическим свойствам.

Нами получены керамические композиционные материалы с высоким содержанием металлического наполнителя методом полусухого прессования с последующей сушкой и обжигом [9—17]. Керамика характеризуется низкой прочностью при растяжении в сочетании с высоким модулем Юнга, низкой ударной вязкостью. При высоких температурах одной из причин выхода из строя изделий из керамики является растрескивание. Введение металлического наполнителя позволило получить интересное сочетание важнейших эксплуатационных характеристик — высокой прочности (включая диапазон высоких температур), усталостной прочности и др. Основные преимущества таких композиционных материалов связаны с высокими температурами эксплуатации (что характерно для керамики) при одновременном значительном повышением прочностных свойств.

В качестве металлического наполнителя выбран алюминий, так как он относительно дешев, обладает хорошей пластичностью и податливостью, низкой температурой плавления. В качестве матрицы использовали каолинитовые и монтмориллонитовые глины, начало появления жидкой фазы у которых 1300°С и 800°С соответственно.

Одной из главных проблем возникших при получении композиционного материала предложенным методом явилось достижение совместимости гидрофильных глин с гидрофобным металлическим наполнителем. При этом необходимо было решать две задачи: обеспечение прочной связи между компонентами и предотвращение выплавов алюминия на стадии обжига, так как последний при спекании практически в любой среде окисляется, и дальнейшее уплотнение образца зависит, в среде прочих факторов, и от фазовых трансформаций вновь образовавшегося оксида. Поэтому содержание металла, превышающее оптимальное, приводит иногда к выплавкам и испарению избытка металла (в вакууме), а чаще к разрыхлению структуры большими прослойками нестабильного оксида алюминия.

Введение в небольших количествах добавок, которые химически взаимодействуют, как с металлом, так и с керамикой, в значительной мере способствует образованию прочной связи между разными по химической природе частицами.

В наших исследованиях для обеспечения совместимости матрицы с металлическим наполнителем и создания однофазной структуры получаемого композита проводилась активация поверхности глин механической обработкой, термической и химической модификацией. Так как расплав алюминия плохо совмещается с частицами глины, то для улучшения смачиваемости в глину вводили поверхностно активные вещества (ПАВ) в количестве 0,1—1 %. Химическая модификация глин ионами Аl³⁺ из водных растворов и термоме­ханическая модификация алюминиевой матрицы с одновременным диспергированием позволила увеличить содержание алюминия в композите до 20 %, при этом избежать выплавов металлов и разрыхления структуры прослойками нестабильного оксида алюминия, снизить температуру образования жидкой фазы на 80—120°С, а также сместить максимумы на кривых вязкости в область более низких температур.

Процесс спекания протекает с участием жидкой фазы, реагирующей с твердой. Расплавленный алюминий в составе масс способствует увеличению количества и снижению вязкости расплава. Чтобы снизить температуру обжига, в композит вводили добавки оксидов металлов второй группы (оксиды кальция, магния, цинка), которые сдвигают температуру появления расплава и температуру максимума первого экзоэффекта на 50—80°С. При введении оксидов щелочноземельных металлов в глину возрастает скорость кристаллизации муллита. Обогащение расплава ионами Al⁺³и Ca⁺²приводит к ускорению объемной диффузии и кристаллизационных процессов. Образование алюмосиликатов протекает интенсивно уже при температуре 900°С

Физико-механические свойства получаемых материалов в большой степени зависят от вида адгезионного взаимодействия матрицы и наполнителя. В зависимости от физико-химических свойств отдельных компонентов и механизма образования связей на границе раздела фаз адгезионное взаимодействие можно разделить на три группы. Это механическая адгезия, обусловленная отсутствием химического взаимодействия и образующаяся при механическом сцеплении матрицы и наполнителя; физическая адгезия, обусловленная взаимодействием электронов на атомном уровне; физико-химическая адгезия, определяемая необратимым смачиванием расплавом наполнителя матрицы, их взаимным растворением и после­дующим образованием химических соединений и твердых растворов.

Так как в предложенном методе получения композиционного материала металлический наполнитель принимает участие в стадиях формирования структуры, то в композите наблюдается как физическая адгезия компонентов, так и химическое взаимодействие матрицы и наполнителя.

Структурные изменения, происходящие в керамических массах в присутствии металлического наполнителя в процессе модификации и термической обработки при получении композита, отражаются на структуре и свойствах получаемого материала. В таблице представлены прочностные характеристики композитов различного состава, полученные при температурах обжига от 900°С до 1300°С.

В процессе спекания композита происходит ряд физических превращений, к которым можно отнести: объёмную диффузию, пластическое течение, поверхностную диффузию и испарение-конденсацию. Так поверхностная диффузия, испарение и конденсация способствует сфероидизации пор, увеличению контактов между части­цами, что приводит к упрочнению (но не уплотнению) материала.

Получаемые материалы экономически выгодны, обладают низкой теплопроводностью, повышенной механической прочностью (за счёт свойств металлического наполнителя), малой открытой пористостью (за счёт плотной упаковки частиц при прессовании с оптимальной влажностью и в результате последующих физико-химических процессов, протекающих во время обжига), малой гидрофобностью и пониженной хрупкостью.

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. Влияние пористости на свойства керамометаллических композитов // Сборник научных трудов Sworld по материалам международной научно-практической конференции. — 2012. — Т. 6. — № 3. — С. 41—45.
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.