СТРУКТУРНО-ТЕКСТУРНЫЕ  ОСОБЕННОСТИ  И  СВОЙСТВА  ТЕПЛОЭФФЕКТИВНОГО  КОМПОЗИЦИОННОГО  МАТЕРИАЛА

Ивлева  Ирина  Анатольевна

канд.  техн.  наук,  доцент  БГТУ  им  В.Г.  Шухова,  г.  Белгород

E-mail: 

STRUCTURAL  AND  TEXTURAL  FEATURES  AND  PROPERTIES  OF  HEATEFFICIENT  COMPOSITE

Ivleva  Irina

Candidate  of  Technical  Sciences,  Associate  Professor  of  BSTU  named  after  V.G.  Shukhov,  Belgorod

АННОТАЦИЯ

Введение  отходов  производства  пеностекла  в  глиносодержащие  смеси  способствует  формированию  в  композиционном  материале  прочнопористой  фрагментарной  структуры.  Рассмотрено  влияние  текстурно-структурных  особенностей  композитов  на  их  физико-механические  свойства.

ABSTRACT

Introduction  of  waste  products  of  a  foamglass  in  clay-containing  mixes  promotes  formation  in  composite  of  strong  and  cellular  fragmentary  structure.  Influence  of  textural  and  structural  features  of  composites  on  their  physicomechanical  properties  is  considered.

Ключевые  слова:  стеклопористый  компонент;  структура;  пористость;  новообразования;  кристаллизация;  микроармирование.

Keywords:  component  from  foamglass;  structure;  porosity;  new  growths;  a  crystallization;  microreinforcing.

Направленный  синтез  в  процессах  силикатообразования  обеспечивает  получение  изделий  с  заданной  структурой  [7—21,  26—28].  Сложившаяся  гетерофазная  система  определяет  прочностные,  теплофизические  и  эксплуатационные  свойства  композиционных  материалов.

Одним  из  распространенных  методов  создания  теплоэффективных  материалов  является  поризация  их  структуры.  Введение  пористых  заполнителей  в  отличие  от  наиболее  распространенных  методов  поризации  повышает  прочность  изделий  до  20  МПа.  Весьма  эффективный  метод  повышения  прочности  материала  —  микроармирование  его  структуры  [1—5,  24,  25]

В  данной  работе  представлены  результаты  исследований  теплоэффективных  композиционных  материалов  с  применением  стеклопористого  компонента  (СПК  —  отход  производства  пеностекла),  выполняющего  роль  в  глиносодержащих  смесях  порообразуюещего,  отощающего  и  спекающего  компонента  [2,  с.  96].  Химический  состав  СПК  представлен,  мас.  %:  SiO₂  —  71,6;  Аl₂O₃  —  2,7;  Fe₂O₃  —  0,3;  СаО  —  8,2;  MgO  —  1,1;  K₂O+Na₂O  —  14,7;  SO₃  —  0,4.  Оптимальный  размер  зерен  СПК  от  0,1…2,5  мм,  насыпная  плотность  260  кг/м³  [22,  с.  8].

Закономерности  влияния  СПК  на  структурообразование  и  свойства  композитов  рассматривали  в  системах  СПК-мономинеральные  и  СПК-полиминеральные  глины.

Исходные  компоненты  шихты  имеют  неодинаковый  минералогический  и  гранулометрический  состав.  Чибисовская  глина  —  каолин-гидрослюдистая,  Шебекинская  —  монтмориллонит-гидрослюдистая  с  высоким  содержанием  мусковита  (25  мас.%),  Городищенская  —  монтмориллонит-гидрослюдистая. 

Количество  СПК  в  шихте  с  мономинеральными  и  полиминеральными  глинами  варьировалось  от  0  до  40  мас.  %  (табл.  1).

Таблица  1.

Составы  и  шифры  смесей

Процессы  минералообразования  в  системах  СПК-мономинеральные,  СПК-полиминеральные  глины  исследованы  при  температуре  обжига  950,  1050  и  1150°С.  Рентгенофазовым  и  оптически  визуальным  методами  анализа  были  установлены  температуры  кристаллизаций  новообразований  в  системах  СПК-мономинеральные  и  СПК-полиминеральные  глины.

По  трехкомпонентной  диаграмме  состояния  СaO-Al₂O₃-SiO₂  теоретически  были  определенны  температура  начала  появления  расплава,  количества  и  состав  жидкой  и  кристаллических  фаз.  Минералогический  состав  образцов,  обожженных  при  950  и  1050°С,  и  данные,  полученные  по  диаграммам  состоянии,  представлены  в  (табл.  2.)

Таблица  2.

Новообразования  композитов

Методом  оптической  и  сканирующей  электронной  микроскопии  в  микро­структуре  образцов  (4  к,  4  м,  4  гс)  мономинеральных  глин  с  СПК  идентифицированы:  стеклофаза  высокой  изотропности  и  новообразования  в  виде  игольчатых  и  призматических  кристаллов.  Структура  композитов  представлена  фрагментами,  состоящих  из  сферических  пор,  размером  менее  0,1  до  300  мкм,  контактного  слоя  и  межфрагментарного  пространства  (рис.  1).

Рисунок  1.  Микрофотографии  фрагментарной  микроармированной  пористой  структуры  (Тобж  —  1050°С):  а  —  состав  (4  гс);  б  —  состав  (4  к):  1  —  фрагмент  структуры;  2  —  поры;  3  —  кристаллизация  межфрагментарного  пространства;  4  —  контактный  слой  микроармированный  игольчатыми  кристаллам

Новообразования  пронизывают  стеклофазу  и  образуют  войлоковидную  сетку,  микроармирующую  внутреннюю  поверхность  пор  (рис.  2),  контактный  слой  между  стеклопористым  компонентом  и  глинистой  матрицей  (рис.  1,  б),  а  также  межфрагментарное  пространство  (рис.  1,  а,  б).

Фрагментарная  пористая  структура  микроармированная  новообразованиями  анортита,  волластонита,  диопсида,  α-триди­мита  улучшает  физико-механические  свойства  керамики  по  сравнению  с  контрольными  составами  (0  к),  (0  м),  (0  гс). 

Рисунок  2.  Микрофотография  образца  композита  (Т_обж  —  1050°С):рост  кристаллов  в  поре  состава  (4  м)

При  повышении  температуры  обжига  от  950  до  1150°С  в  образцах  состава  (2  к),  (4  к),  (2  м),  (4  м),  (2  гс),  (4  гс)  наблюдается  интенсивная  кристаллизация  анортита  при  одновременном  растворении  кварца  в  расплаве  стекла.  Анортит  способствует  уменьшению  огневой  усадки  композитов.  Оксиды  СаO,  MgO,  K₂O,  Na₂O,  вносимые  стеклопористым  компонентом,  ослабляют  кристаллизацию  кристобалита,  образующегося  из  продуктов  деструкции  монтмориллонита  и  уменьшают  расширение  образцов  состава  (4  м).  В  образцах  гидрослюды  с  СПК  (4  гс)  прочность  на  сжатие  составила  70  МПа  в  результате  совместной  кристаллизации  анортита,  α-тридимита  и  диопсида.  .

Анализируя  расположение  точек  составов  (табл.  1)  на  диаграмме  состояния  системы  CaO-Al₂O₃-SiO₂  можно  сделать  вывод:  введение  пеностекла  снижает  температуру  появления  расплава  на  ~180°С,  изменяет  состав  и  соотношение  кристаллических  фаз.  Кристаллизация  β-волластонита  создает  условия  для  увеличения  количество  анортита.  Начало  взаимодействия  между  глинистыми  минералами  и  частицами  пеностекла  зависит  от  температуры  деструкции  кристаллической  решетки  соответствующего  минерала,  которая  повышается  в  ряду  бентонит-гидрослюда-каолин. 

Стеклопористый  компонент,  в  композициях  с  полиминеральными  глинами,  способствует  растворению  кварца  и  кристобалита  в  структуре  изделий,  повышает  количество  кристаллических  фаз,  не  склонных  к  полиморфным  превращениям  при  соответствующих  температурах  обжига.  Структура  материалов  также  фрагментарна,  микроармирована  кристаллами  α-тридимита,  анортита,  β-волластонита,  диопсида,  гематита,  что  улучшает  физико-механические  свойства  композитов.  Образцы  из  Чибисовской  глины  состава  4ч  после  обжига  при  1050°С  показали  прочность  на  сжатие  —  32  МПа,  прочность  на  изгиб  —  6,3  Мпа  [1,  с.  24],  коэффициент  теплопроводности  —  0,370  Вт/м∙К  при  плотности  1360  кг/м³  [4,  с.  64]. 

Согласно  минералогическому  расчету,  оптимальное  соотношение  в  Шебекинской  глине  породообразующих  минералов,  мас.  %:  монтмориллонит  —  20,  глауконит  —  15,  мусковит  —  25,  кварц  —  32,  кальцит  —  9  [5,  с.  38],  обеспечивает  в  композиции  с  СПК  высокие  физико-механические  свойства  композитов  состава  4  ш:  прочность  на  сжатие  —  44  МПа,  прочность  на  изгиб  —  12  МПа,  коэффициент  теплопроводности  —  0,268  Вт/м∙К  при  плотности  1030  кг/м³,  вследствие  интенсивной  кристаллизации  анортита,  β-волластонита,  α-тридимита,  диопсида.

Таким  образом,  выявлено  активирующее  влияние  стеклопористого  компонента  на  процессы  фазо-  и  структурообразования  при  обжиге  композиционного  материала,  состоящего  из  глин  различного  минералогического  состава  и  стеклопористого  компонента.  Показано,  что  введение  стеклопористого  компонента  в  состав  глиняных  масс  способствует  формированию  прочнопористой  фрагментарной  структуры.  В  процессе  спекания  происходит  микроармирование  внутренней  поверхности  пор,  контактного  слоя  и  межфрагментарного  пространства  удлиненными  неизометрическими  кристаллами  анортита,  волластонита,  альбита,  диопсида,  α-тримидита,  муллита.

Список  литературы:

1. Беседин  П.В.,  Ивлева  И.А.,  Мосьпан  В.И.  Теплоэффективный  стеновой  материал  //  Стекло  и  керамика.  —  2005.  —  №  6.  —  С.  24—25.

2.Беседин  П.В.,  Ивлева  И.А.,  Мосьпан  В.И.  Перспективы  использования  отходов  производства  пеностекла  в  строительной  керамике  //  Вестник  БГТУ  им.  В.Г.  Шухова.  —  2004.  —  №  8.  —  Ч.  VI.  —  С.  95—98.

3.Беседин  П.В.,  Ивлева  И.А.,  Мосьпан  В.И.  Термические  исследования  сырьевых  шихт  композиционных  стеновых  материалов  //  Вестник  Белгородского  государственного  технологического  университета  им.  В.Г.  Шухова.  2005.  —  №  10.  —  С.  31—  34.

4.Ивлева  И.А.  Влияние  пеностекольного  компонента  на  пористость  и  физико-механические  свойства  теплоэффективной  керамики  //  Сб.  науч.  трудов  Sworld  по  матер.  международ.  научно-практич.  конф.  —  Одесса.  —  2012.  —  Т.  6.  —  С.  60—65.

5.Ивлева  И.А.  Управление  качеством  теплоэффективной  керамики  путем  регулирования  структурообразования  //  Сб.  науч.  трудов  Sworld  по  матер.  международ.  научно-практич.  конф.  —  Одесса.  —  2012.  —Т.  6.  —С.  37—41.

6.Ивлева  И.А.,  Шиманская  М.С.,  Немец  И.И.  Технология  получения  керамзита  из  слабовспучивающегося  глинистого  сырья  //  Стекло  и  керамика.  —2011.  —  №  11.  –  С.    17—18.

7.Ключникова  Н.В.,  Лымарь  Е.А.,  Приходько  А.Ю.  Керамические  композиционные  материалы  строительного  назначения  с  использованием  металлического  наполнителя  //  Известия  высших  учебных  заведений.  Строительство.  —  2005.  —  №  7.  —  С.  62—65.

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

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

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

11.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. 

12.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. 

13. 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.

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

15.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.

16.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. 

17.Ключникова  Н.В.,  Лымарь  Е.А.,  Юрьев  А.М.  Строительные  материалы  на  основе  металлической  матрицы  и  неметаллического  наполнителя  //  Успехи  современного  естествознания.  —  2003.  —  №  12.  —  С.  79—82.

18.Ключникова  Н.В.,  Лымарь  Е.А.,  Юрьев  А.М.  Особенности  создания  композитов  строительного  назначения  на  основе  металлической  матрицы  и  неметаллического  наполнителя  //  Вестник  Белгородского  государственного  технологического  университета  им.  В.Г.  Шухова.  2003.  —  №  5.  —  С.  61—63.

19.Ключникова  Н.В.,  Лымарь  Е.А.,  Юрьев  А.М.  Перспективность  использования  металло-композитов  на  предприятиях  энергетического  профиля  //  Вестник  Белгородского  государственного  технологического  университета  им.  В.Г.  Шухова.  2004.  —  №  8.  —  С.  26—  28.

20.Ключникова  Н.В.,  Лымарь  Е.А.  Конструкционная  металлокерамика  –  один  из  перспективных  материалов  современной  техники  //  Вестник  Белгородского  государственного  технологического  университета  им.  В.Г.  Шухова.  2005.  —  №  9.  —  С.  111—  114.

21.Ключникова  Н.В.,  Лымарь  Е.А.  Влияние  металлического  наполнителя  на  стадии  структурообразования  композиционных  материалов  на  основе  керамической  матрицы  //  Стекло  и  керамика.  —  2005.  —  №  10.  —  С.  19—22.

22.Немец  И.И.,  Ивлева  И.А.  Прочнопористая  стеновая  керамика  //  Изв.  Вузов.  Строительство.  —  2009.  —№  8.  —  С.  37—41.

23.Пат.  2231505  Российская  Федерация,  МПК⁷  С04  В  33/02.  Способ  изготовления  стеновых  керамических  изделий  /  Беседин  П.В.,  Ивлева  И.А.,  Мосьпан  В.И.;  заявитель  и  патентообладатель  Беседин  П.В.,  Ивлева  И.А.,  Мосьпан  В.И.;  заявл.  18.07.2003;  опубл.  27.06.2007,  Бюл.  №  18.  —  10  с.

24.Besedin  P.V.,  Ivleva  I.A.,  Mos’pan  V.I.  Heat-efficient  composite  wall  material  //  Glass  and  Ceramics.  —  2005.  —  Т.  62.  —  №  9—10.  —  С.  87—88.

25.Ivleva  I.A.,  Shimanskaya  M.S.,  Nemets  I.I.  Technology  for  producing  keramzit  from  low  expandale  clay  //  Glass  and  Ceramics.  —  2012.  —  С.  1—3 

26.Klyuchnikova  N.V.  Interaction  between  components  at  metal  composites  production  //  European  Journal  of  Natural  History.  —  2007.  №  6.  —  С.  110—111.

27.Klyuchnikova  N.V.,  Lumar’  E.A.  Production  of  metal  composite  materials  //  Glass  and  Ceramics.  —  2006.  —  Т.  63.  —  №  1—2.  —  С.  68—69. 

28.Klyuchnikova  N.V.,  Lumar’  E.A.  The  effect  of  metal  filler  on  structure  formation  of  composite  materials  //  Glass  and  Ceramics.  —  2012.  —  Т.  62.  —  №  3—4.  —  С.  319—320.