Структура керамического кирпича представляет собой фазную систему

Обновлено: 18.04.2024

В последние годы все сильнее возрастает потребность, не только, в больших объемах выпускаемой продукции, но еще и в увеличении ее качества. Чтобы выдержать конкуренцию заводы вынуждены постоянно совершенствовать свои технологии. Их задачей является повышение таких качеств изделия, как: прочность, морозостойкость, износостойкость и др. Кроме того, изделие должно иметь хороший внешний вид без дефектов. Но при всем при этом необходимо обеспечить высокую производительность и, как можно, более низкие затраты на производство и сырьевые материалы.

Введение……………………………………………………………………4
1. Химико–минералогический состав сырьевых материалов ………….6
2. Физико- химические основы процессов измельчения……………….17
3. Физико–химические основы процесса формования………………….24
4. Физико–химические основы процесса сушки………………………..30
5. Физико–химические основы процесса обжига……………………….34
Заключение………………………………………………………………. 44
Список используемой литературы……………………………………….45

Файлы: 1 файл

курсовой мой.doc

Федеральное агентство по образованию РФ

Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Ивановский государственный химико- технологический университет

Кафедра химической технологии тугоплавких неметаллических и силикатных материалов

Расчетно-пояснительная записка

к курсовой работе по ТМ и П

на тему: «Физико-химические основы производства керамического кирпича».

Проектант: студ. гр. 4/12

Проверил: Овчинников Н.Л.

В данной курсовой работе, выполненной на тему: «Физико-химические основы производства керамического кирпича», приведено описание химико-минералогического состава сырьевых компонентов, а также физико-химические основы процессов измельчения, формования, сушки, обжига и спекания.

Расчетно-пояснительная записка к работе содержит:

использованных источников литературы – 8

1. Химико–минералогический состав сырьевых материалов ………….6

2. Физико- химические основы процессов измельчения……………….17

3. Физико–химические основы процесса формования………………….24

4. Физико–химические основы процесса сушки………………………..30

5. Физико–химические основы процесса обжига……………………….34

Список используемой литературы……………………………………….45

Добиться выполнения всех этих условий стало возможным, в последнее время, благодаря быстрому развитию соответствующей научной базы - теоретическим и экспериментальным исследованиям в области физикохимии силикатов и других тугоплавких неметаллических соединений /5/.

В частности при изготовлении керамического кирпича учитывается химический и минералогический состав глин, полевых шпатов, кварцевого песка. Стараются подбирать сырье, которое может обеспечить заданный, на производстве, состав керамической массы. Но далеко не всегда, какое-то конкретное месторождение может обеспечить этот состав. Кроме того, некоторые сырьевые материалы приходится завозить издалека, а это дополнительные затраты. Поэтому сырье, с разных месторождений, смешивают в определенных пропорциях, добиваясь, тем самым, нужного состава. Это позволяет компенсировать стоимость дорогого (завозимого издалека) сырья стоимостью дешевого (местного) сырья.

Помимо знаний о химическом и минералогическом составе массы необходимо еще и правильно подобрать технологию, по которой будет изготавливаться керамический кирпич. А для этого, необходимо знать, какие процессы происходят на разных стадиях производства изделия. Если это помол, то необходимо знать, какие нужно вводить добавки, и в какой среде проводить, чтобы его интенсифицировать. Если это сушка, то необходимо подобрать ту сушилку, которая обеспечит наилучший гранулометрический и фракционный состав. При прессовании необходимо добиться, как можно более однородной по плотности структуры сформованного изделия. Сушку спрессованного кирпича производят таким образом, чтобы не произошло никаких деформаций, трещин, вспучиваний. Дефектов можно избежать, зная, какие химические и физические процессы происходят на разных стадиях обжига. Также эти знания позволяют в значительной степени сокращать время обжига.

Данная работа направлена на то, чтобы показать как влияют физико-химические процессы, протекающие при производстве керамического кирпича на свойства получаемой продукции.

1. Химико–минералогический состав сырьевых материалов

Для правильного построения технологического процесса производства и для получения изделий высокого качества к глинистому сырью предъявляют определенные требования. При этом качество глины оценивают по химико-минералогическому составу. Химико-минералогический состав фаз оказывает большое влияние на процессы, протекающие в данном производстве.

Рассмотрим основные слагающие глины минералы.

Каолинит Al₄[Si₄O₁₀](OH)₈.

Каолинит, диккит, накрит- Al₄[Si₄O₁₀](OH)₈. названные минералы представляют собой полиморфные модификации, среди которых наиболее распространенным является каолинит.

Кристаллографическая характеристика. Сингония моноклинная. Параметры элементарной ячейки каолинита: а₀=5.14; b₀=8.93; с₀=7.37; β=100 0 12'; z =1.

Кристаллическая структура каолинита (рис.1), диккита, и накрита состоит из двухслойных пакетов, содержащих один кремнекислородный тетраэдрический слой состава [Si_2nO_5n] 2n- и один алюмокислородногидроксильный октаэдрический слой состава [Al_2n(OH)_4n] 2n+ . Оба слоя объединяются в пакет с помощью общих кислородов кремнекислородного слоя.

Рис.1. Идеальное строение листа каолинита.

Агрегаты. Каолинит встречается в скрытокристаллических, а диккит и накрит – микрокристаллических скоплениях.

Физические свойства . Отдельные чешуйки каолинита бесцветны, сплошные массы белые. Блеск чешуек и пластинок перламутровый, сплошных скоплений - матовый. Спайность весьма совершенная по (001). Твердость 2.5-3. Плотность 2.58 - 2.63 г/см 3 . Под микроскопом все три минерала наблюдаются в виде гексагональных табличек и чешуек.

На кривых нагревания наблюдаются: 1. эндотермический эффект при температуре 500-600 0 С; 2. два экзотермических эффекта при температуре 950-1000 0 С и 1200 0 С. Эндотермический эффект при 500-600 0 С возникает в результате потери гидроксильных ионов и амортизации минерала. Первая экзотермическая реакция при 900-1000 0 С вызвана началом кристаллизации муллита, а иногда γ- Al₂O₃ , вторая же – образованием кристобалита. На кривой нагревания диккита эндотермическая реакция фиксируется при более высокой температуре( 600-700 0 С).

Искусственное получение. Каолинит, диккит и накрит получены при действии СО₂, НF и других соединений на некоторые алюмосиликаты.

Образование и месторождения . Каолинит возникает преимущественно экзогенным путем при выветривании разных алюмосиликатов в кислой среде. Он входит в состав глин, мергелей и глинистых сланцев. Процесс образования каолинита может быть изображен в виде такой схемы:

Диккит и накрит могут возникать в гидротермальных условиях, однако при этом не образуют больших скоплений. При метаморфизме каолинит муллитизируется или превращается в дистен и силлиманит по такой реакции:

Вода, выделяющаяся при этом, играет важную роль в гидротермальных процессах. Среди месторождений каолинита различают первичные и вторичные. Первичные месторождения представляют собой продукт разрушения алюмосиликатных пород, которые остались на месте залегания материнской породы, образуя так называемые первичные каолины. Здесь каолинит находится в ассоциации с кварцем и окислами железа. Первичные каолины, подвергаясь перемыву, отмучиваются. Отмучивание заключается в том, что водой захватываются и переносятся тонкие чешуйки каолинита, которые затем отлагаются в пониженных слоях рельефа. Так возникают месторождения вторичного каолинита, уже свободного от примесей кварца и окислов железа.

Гидрослюды, или иллиты, представляют собой слюдистые минералы, являющиеся переходными между собственно слюдами и глинистыми минералами. В химическом отношении они отличаются от слюд меньшим содержанием щелочи и увеличением количества воды, а также изменением соотношения алюминия и кремния в тетраэдрической координации в определенных пределах. Главные представители группы: иллит (K,H₂O)Al₂[(Al,Si)Si₃O₁₀](OH)₂ и глауконит (K,H₂O)(Fe,Mg,Al)₂[(Al,Si)

Минералы этой группы различаются главным образом по кривым ДТА и рентгеновскому анализу.

Рис.2. Гидрослюда

Иллит- типичный продукт выветривания и главный минерал многих глинистых осадков. Он микро- и скрытокристаллический, слюдоподобный, размер частиц 200-2000 0 А, т.е. меньше, чем аналогичных кристаллов каолинита, размер которых обычно превышает 5000 0 А.

Агрегаты. Мелко – до тонкочешуйчатых агрегаты, коллоидно-дисперсные частицы, под электронным микроскопом с неправильными очертаниями, напоминающими частицы монтмориллонита, редко с хорошо выраженными кристаллическими формами, слагающие главную массу некоторых глин.

Физические свойства. В мелко- и тонкочешуйчатых агрегатах цвет слегка желтоватый, зеленоватый, белый. Блеск перламутровый. Спайность весьма совершенная по (001), листочки слабо упруги. Твердость 1-2.

Монтмориллонит

Монтмориллонит - (Al, Mg)₂(OH)₂[Si₄O₁₀]·nH₂0. Содержание воды в этом минерале непостоянно и зависит от упругости водяных паров в окружающей атмосфере. Большая часть воды удаляется при температуре до 200 °С, остаточная вода - при 400-450 °С. Монтмориллонит всегда содержит некоторое количество MgO (от 3 до 10%) и несколько меньшее количество СаО; поэтому иногда формулу монтмориллонита пишут так: (Mg, Са)О·А1₂Оз·4 SiO₂·nН₂О.

При частичном или полном замещении глинозема окисью железа получаются железистые разновидности монтмориллонита, известные под названием нонтронитов.

Сингония - ромбическая. Кристаллы - псевдогексагональные (ромбические) тончайшие листочки. При больших увеличениях микроскопа распознается сложная структура монтмориллонитовых кристалликов, состоящих из тончайших удлиненных призмочек и волоконец. Обычно монтмориллонит встречается в виде пластинчатых агрегатов и землистых сплошных масс. Цвет - белый с сероватым, иногда синеватым оттенком, розовый, розово-красный, иногда - зеленый. Блеск - в сухом состоянии матовый. Твердость очень небольшая - около 1. Жирный на ощупь. Спайность чешуек - совершенная по (001). Удельный вес - непостоянный (от 1,65 до 2).

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Зубехин А. П., Бельмаз Н. С., Филатова Е. В.

Рассчитан фазовый состав керамического кирпича, получаемого на основе глин различного химико-минералогического состава Ростовской области и Краснодарского края.

Текст научной работы на тему «Фазовый состав керамического кирпича из глин различного состава»

зу солей никеля и изменению при этом состава тонких дисперсий в объеме раствора и прикатодном слое при никелировании.

1. Бурашникова М.М., Смирнова Ю.А., Казаринов И.А. Изучение электрохимических характеристик никелированных оксидно--кадмиевых электродов и оценка барьерных свойств никелевых пленок // Химия: состояние и перспективы науч. исслед. на пороге 3-го тысячелетия / Саратов. гос. ун-т. Саратов, 1999. С. 15 - 18.

В условиях развития рынка строительных материалов немаловажная роль отводится широко применяемому в жилищном и промышленном строительстве керамическому кирпичу, который изготавливается из различных глин. В связи с тем что фазовый состав керамического кирпича недостаточно изучен и довольно значительно изменяется в зависимости от состава глин и в конечном счете от керамической массы для его получения, весьма важным являются исследования в этом направлении.

Кроме того, в настоящее время в связи с жесткими требованиями, предъявляемыми к керамическому кирпичу как по техническим показателям продукции, так и по требованиям современного дизайна, возник большой спрос на облицовочный керамический кирпич.

Для определения возможности производства облицовочного кирпича из глин различного фазово-минерального состава необходимо установить конкретный фазовый состав кирпича на основе глин и керамических масс с использованием глины и отощи-теля - песка, предопределяющий его прочность, морозостойкость и другие свойства.

С этой целью нами были изучены глины следующих месторождений: Губского (Краснодарский край), Каменнобродского, Большеложского (Ростовская область). В данной статье приведены результаты расчетов фазового состава и практическое содержание фаз керамического кирпича, полученного на основе глин с различным химическим и минералогическим составами (табл. 1).

Для производства облицовочного керамического кирпича пластическим формованием в качестве основного сырья используют красножгущиеся легко-

2. Кудрявцева И.Д., Кукоз Ф.И., Балакай В.И. Электроосаждение металлов из электролитов-коллоидов // Итоги науки и техники / ВИНИТИ. Сер. Электрохимия. 1990. Вып. 33. С. 50 - 84.

3. Kudrjavtzeva I.D. High speed electroplating in low concentrated colloid-electrolyte baths // INTERFINISH-96: 14-th World Congress, 11 Sept. 1996. Birmingham UK, 1996. P. 387 - 393.

4. Degtjar L.A., Dubov B.Ju., Kudrjavtzeva I.D., Kukos F.I. The coatings on nickel's basis from low concentrated colloid-electrolytes // Ibid. P. 369 - 375.

плавкие глины. Эти глины обеспечивают в процессе их обжига красивый красно-розовый цвет кирпича и благодаря высокой пластичности глины - образование гладкой лицевой поверхности [1]. Однако некоторые глины в процессе производства не образуют гладкую лицевую поверхность кирпича, цвет которого также не отвечает жестким требованиям дизайна. В таком случае исключительно целесообразно применение глазурованного покрытия для улучшения как эстети-ко-потребительских, так и технико-эксплуатационных свойств керамического кирпича.

Методика расчета фазового состава кирпича основана на принципе последовательного выделения фаз с учетом их температуры образования в процессе обжига и возможности кристаллизации при охлаждении, а также образования определенного количества стекловидной фазы.

Прежде всего необходимо установить количество стекловидной фазы, которая образуется из жидкой фазы на стадии спекания кирпича. Для выявления способных к образованию легкоплавких соединений эвтектик рассмотрим диаграмму трехкомпонентной системы К20-А1203-8Ю2 (рисунок, а) и ее фрагмент в области, примыкающей к К2О (рисунок, б) [2]. Как видно из рисунка, при температурах ниже 800 °С образуются легкоплавкие соединения К20-48Ю2 (769 °С) и К20-28Ю2 (720 °С), а также двойные и тройные эвтектики соответственно при температурах 720 и 710 °С, которые и предопределяют количество жидкой фазы. Она после спекания кирпича при охлаждении, как это подтверждается практикой работы заводов, затвердевает в стекловидном состоянии. Исходя из этих соображений, рассчитываем количество стекловидной фазы.

Южно-Российский государственный технический университет (НПИ)

ФАЗОВЫЙ СОСТАВ КЕРАМИЧЕСКОГО КИРПИЧА ИЗ ГЛИН РАЗЛИЧНОГО СОСТАВА

Химический состав керамических масс

Наименование Содержание в керамической массе, % Содержание, % по массе

S1O2 AI2O3 T1O2 Fe2O3 CaO MgO Na2O K2O ппп X

Каменнобродская глина (К) 100 57,9 12, 1 0,4 5,9 4,3 4,9 0,9 1,6 12,0 100

Большеложская глина (Б) 100 63,7 11,4 0,3 6,0 4,1 4,5 0,4 1,1 8,5 100

Губская глина (Г) 60 54,7 14,5 0,2 7,1 2,1 6,4 1,0 3,3 10,7 100

Песок 40 91,8 - - - - - 2,2 2,5 3,5 100

Состав керамических масс

Масса в непрокаленном состоянии (К) 100 57,9 12, 1 0,4 5,9 4,3 4,9 0,9 1,6 12,0 100

Керамический черепок (К) - 64,8 13,7 0,5 6,7 4,9 5,6 1,1 1,8 - 100

Масса в непрокаленном состоянии (Г) 100 69,5 8,7 0,1 4,3 1,3 3,8 1,5 3,0 7,8 100

Керамический черепок (Г) - 75,4 9,4 0,2 4,6 1,4 4,2 1,6 3,2 - 100

Масса в непрокаленном состоянии (Б) 100 63,7 11,4 0,3 6,0 4,1 4,5 0,4 1,1 8,5 100

Керамический черепок (Б) - 69,6 12,5 0,3 6,6 4,5 4,9 0,4 1,2 - 100

С учетом последовательного взаимодействия кислотных оксидов со щелочными и щелочно-земельными, а также с А1203, ТЮ2, Fe203, 8Ю2 рассчитываем количество образовавшихся фаз: натриевого полевого шпата (альбита) - №20 ■ А1203- 68Ю2, форстерита -2Mg0 ■ 8Ю2, анортита - СаО ■ А1203 ■ 28Ю2, муллита 3А1203 ■ 28Ю2, метакаолинита - А1203 ■ 28Ю2, шпинели -Mg0 ■ Бе203, рутила, приведенных в табл. 2.

Фазовый состав керамического кирпича в зависимости от химического состава массы

Содержание, % по массе, фаз при

Наименование обжиге керамических масс из глин

фазы губской каменно-бродской большеложской

Стеклофаза 6,55 4,36 11,64

Альбит 9,3 3,38 13,52

Mg0■ Бе203 8,4 8,27 5,76

2Mg0■ 8Ю2 6,8 5,63 5,3

Анортит 24,36 22,34 8,44

Муллит 4,12 5,07 5,1

8Ю2 (своб.) 39,09 56,75 50,87

Водопоглощение, % 14 15,5 17,3

Диаграммы: а - трехкомпонентной системы К2О-А12О3-8Ю2; б - часть диаграммы состояния системы К2О- 8Ю2

Как видно из табл. 2, наибольшее содержание в керамическом кирпиче составляют фазы анортита - от 8,44 до 24,36 % соответственно в большеложском и губском кирпиче и в-кварца - в пределах от 39,09 до 56,75 %. Количество стеклофазы не превышает 11,64 %. Эти фазы в совокупности с другими кристаллическими фазами предопределяют высокую прочность кирпича и водопоглощение не ниже 6 %, обеспечиваю-

щие необходимые технико-эксплуатационные свойства кирпича. Наличие повышенного содержания оксидов железа в глинах придает кирпичу приятный терракотовый цвет, что обеспечивает возможность такого кирпича как облицовочного (наряду с приданием ему определенной дизайнерской формы).

1. Голованова С.П. Физическая химия в технологии художественной обработки материалов: Уч. пособие / ЮРГТУ. Новочеркасск, 2002.

2. Крупа А.А., Городов В.С. Химическая технология керамических материалов: Уч. пособие. Киев, 1990.

5 декабря 2002 г.

Южно-Российский государственный технический университет (НПИ)

ПРОБЛЕМЫ ЭФФЕКТИВНОЙ УТИЛИЗАЦИИ ШЛАМА И СНИЖЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ВРЕДНОСТИ ЭЛЕКТРОЛИТА ПРИ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОМ

При электрохимическом перфорировании (ЭХП) в производственных условиях остро стоят экологические вопросы, связанные с утилизацией шламов -продуктов анодного растворения и с высокой токсичностью электролитов за счет накопления в них, например, ионов бихромата или гидроксидов.

Поляризационные кривые, полученные при электрохимической обработке никеля на основе хлорида натрия, показали, что процесс его активного анодного растворения протекает при потенциалах, превышающих потенциалы разряда присутствующих хлор-анионов. Поэтому не исключена вероятность их анодного окисления и, как следствие этого, изменение физико-химических свойств электролита, по крайней мере, в приэлектродном пространстве. С целью выявления изменений, которые претерпевает электролит в процессе перфорации, был проведен качественный анализ продуктов анодного растворения, количественный анализ проработанного электролита, исследовано изменение электропроводности и рН, а также влияние этих изменений на качество обработки и анодный выход по току.

Было установлено, что в процессе обработки при прохождении 12 А ч/л происходит подщелачивание электролита до рН 11,5, после чего рН стабилизируется до рН 10,3 (рис. 1). В растворе образуется светло-зеленый осадок, растворимый в кислотах, и КИ40И.

При воздействии на раствор диметилдиоксимом образуется осадок красного цвета, что характерно для №(0Н)2. Электронографический анализ выявил сильно дефектную структуру №(0Н)2 со значительной аморфностью. При превышении рН 10,3 осадок имеет сложный фазовый состав. Основными продуктами анодного растворения в этом случае являются фазы У - №00Н и №203 -пИ20.

При электрохимической обработке (ЭХО) по мере роста рН наблюдается изменение анодного выхода по току и электропроводности электролита. До рН 9,71 электропроводность за счет повышения концентрации анионов гидроксила увеличивается, затем, по мере накопления продуктов анодного растворения, падает с

величины ж =0,1235 до ж =0,1198 Ом :см 1 . Выход по току при этом уменьшается на 5 % (рис. 2).

2 4 6 8 10 12 Количество электричества, Ач/л

Рис. 1. Зависимость рН электролита от количества электричества, пропущенного через электролит

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Зубехин А.П., Яценко Н.Д., Филатова Е.В., Боляк В.И., Веревкин К.А.

Установлено влияние химико&минералогического состава глин на технологические, послеобжиговые и декоративные свойства керамического кирпича. Изучены зависимости коэффициента отражения и цвета фаз, кристаллизующихся в кирпиче, от содержания оксида железа

Текст научной работы на тему «Керамический кирпич на основе различных глин: фазовый состав и свойства»

К.А. ВЕРЕВКИН, инженеры, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)

Керамический кирпич на основе различных глин: фазовый состав и свойства

В связи с реализацией национального проекта «Доступное и комфортное жилье — гражданам России» резко возрос спрос на различные строительные материалы. Одним из широко применяемых строительных материалов, как известно, является керамический кирпич, используемый человечеством на протяжении тысячелетий. В XXI в. роль керамического кирпича в строительстве не изменилась. Однако значительно уменьшилась сырьевая база для производства высококачественной продукции. Это обусловливает высокую актуальность разработки новых эффективных способов, обеспечивающих выпуск конкурентоспособной продукции на основе ресурсосбережения и обеспечения высокого качества кирпича при применении запесоченных глин, суглинков, местных некондиционных глин различных месторождений.

Такая научно-техническая задача может быть решена при разработке технологий на основе современных представлений о физико-химических процессах спекания при обжиге кирпича на основе глин различного минералогического состава. В данной работе изложены результаты исследований с использованием наиболее представительных месторождений глин Юга России различного минералогического и химического состава: Владимировского и Каменнобродского месторождений Ростовской области, Губского и Новокубанского месторождений Краснодарского края.

Глины Владимировского месторождения содержат около 67 мас. % глинистых минералов — каолинита,

гидрослюды и смешаннослойных с соотношением 22:22:23 соответственно. Каменнобродская глина является каолинито-гидрослюдистой, в которой на 5—10% преобладает содержание каолинита.

Глины Краснодарского края существенно различаются по минералогическому составу. Губская глина гидрослюдистая с содержанием гидрослюды около 80% и небольшим количеством (до 8%) монтмориллонита. Глина Новокубанского месторождения «Хуторок» гид-рослюдисто-каолинито-монтмориллонитовая с преобладанием гидрослюдистого минерала. Химические составы глин приведены в табл. 1.

Результаты исследований показывают, что глинистые минералы, находящиеся в глинах в различном соотношении, оказывают существенное влияние как на их технологические свойства (табл. 2), в частности на пластичность и связующую способность, так и на послеобжиговые свойства (табл. 3). Исследуемые глины относятся к умеренно- и среднепластичным, что обусловливает использование в составе масс до 10% кварцевого песка.

Установлено, что значительная усадка черепка на основе глин губской и владимировской (В2) обеспечивает формирование структуры с повышенной плотностью от 1900 до 2200 кг/м3 и прочностью, обусловленных повышенным количеством щелочных оксидов и железа. Наименьшие показатели прочности кирпича на основе глины «Хуторок» следует объяснить нали-

Месторождение глин Содержание, мас. %

SiO2 ^203 СаО МдО Ыа20 К20 ТЮ2 ППП 2

Владимировское В1 55,48 22,21 2,29 0,83 1,39 0,84 2,64 0,65 9,3 95 , 63

В2 62,13 19,88 4,39 0,93 1,37 0,66 2,47 0,72 7,8 100 , 35

Каменнобродское (К) 65,3 13,82 5,76 1,51 1,97 1,24 2,27 0,83 7,3 100

«Хуторок» (Х) 63,76 11,38 4,36 5,44 1,8 1 2 0,89 9,3 99,98

Губское (Г) 58,48 16,42 7,08 0,92 1,78 0,96 2,88 0,88 10 99,81

Наименование глин Показатели свойств

Число пластичности Формовочная влажность,% Связующая способность на разрыв, МПа, с песком, % Коэффициент чувствительности к сушке

В1 22 29 1,55 1,4 1,3

В2 9 22 1 0,8 1,85

Каменнобродская 11 19 1,1 1 0,8

«Хуторок» 10 19 1,25 1 1,05

Губская 15 26 1,4 1,45 1,15

Составы шихт Показатели свойств

№ Глина : песок, % Водопоглощение, % Пористость, % Плотность, кг/м3 Огневая усадка, % Предел прочности при сжатии, МПа

1 В1 100 14 29 1860 0,7 28,7

В1 90:10 16,1 32,7 1800 0,8 22,5

2 В2 100 11,5 27 1910 1,2 30,5

В2 90:10 12 27 1920 1,3 32

3 К 100 14 27 1900 0,8 23

К 90:10 14,5 30 1870 0,9 33

4 Х 100 12,5 23,8 1940 0,7 18,2

Х 90:10 16,5 27,9 1910 0,9 20,5

5 Г 100 3,2 7,8 2200 1,2 35

Г 90:10 4 8,4 2200 2,2 36

чием карбонатов Са и М§, обусловливающих снижение интенсивности спекания при пониженных температурах. При вводе в состав шихт 10% песка практически во всех глинах повышается прочность, за исключением владимировской глины (В1), в которой, очевидно, завершение процесса фазообразования сдвинуто в область более высоких температур в связи со значительным содержанием А1203.

Таким образом, наилучшими физико-механическими свойствами характеризуется керамический кирпич на основе губской гидрослюдистой глины, а также глин каменнобродской и владимировской (В2) с 10% кварцевого песка в шихте.

В современных условиях к керамическому кирпичу предъявляются высокие требования не только к физико-механическим и эксплуатационным свойствам, но и к декоративным, отвечающим требованиям современного дизайна. Как известно, глины всегда содержат примеси железа в виде оксидов или различных соединений, а также карбонатные материалы, обусловливающие цвет кирпича от желтого до красно-коричневого.

Как установлено, введение в состав масс карбоната кальция и добавки минерализатора — 0,5% солей щелочных металлов обусловливает изменение окраски керамического черепка и его коэффициента отражения (КО) в зависимости от химико-минералогического состава глин (табл. 4).

Результаты исследований показывают, что керамический черепок на основе всех глин при введении мела и минерализующей добавки осветляется. Наиболее интенсивно осветление проходит в каменнобродской глине и «Хуторок», в которых карбонаты кальция и магния в значительном количестве содержатся в самой глине. Наименьшее значение КО по сравнению с другими образцами имеет керамический черепок на основе губской глины с наибольшим содержанием Fe2O3 = 7,08% как без СаСО3 и минерализатора, так и с их наличием. Однако и в этом случае повышение КО составляет 13,1%, а при увеличении СаСО3 до 20% цвет черепка становится светло-желтым.

Как известно, красный, красно-коричневый и розовый цвета черепка на основе глин без добавок объясня-

Наименование глины Содержание в глине оксидов, мас. % Состав керамической массы, % Цвет кирпича

Ре203 СаО Я20 Глина Песок Мел ЫаС1, сверх 100% Цвет КО, % по МС-20

В1 2,29 0,83 3,48 100 - - - бежевый 54

80 10 10 - бежевый 54

80 10 10 0,5 светло-бежевый 58

В2 4,39 0,93 3,13 100 - - - красный 34,2

80 10 10 - желтый 47

80 10 10 0,5 кремовый 51,1

Каменно-бродская 5,76 1,51 3,51 100 - - - красный 34,6

80 10 10 - желтый 47,6

80 10 10 0,5 бежевый 50,1

«Хуторок» 4,36 5,44 3 100 - - - красный 40,2

80 10 10 - розовый 43,8

80 10 10 0,5 серый 56,7

Губская 7,08 0,92 3,84 100 - - - красно-коричневый 28

80 10 10 - красно-розовый 35,8

80 10 10 0,5 розовый 41,1

Наименование фаз Количество Ре203, мас. % КО, % по МС-20

Гематит а-Ре203 100 6,5

Метакаолинит А!203-28Ю2 0 91,8

Анортит* Са0-А!203-28Ю2 0 90,2

Муллит 3А!203-28Ю2 0 92,8

Стеклофаза состава, мас. %: 8Ю2 - 75 А!203 - 12 Са0 - 10 Я20 - 4 0 91,2

Примечание. * Образуется в массах, содержащих СаО>5%.

ются содержанием в них гематита а^е203, имеющего КО = 6,5% по МС-20. Повышение КО керамики, содержащей повышенное количество СаСО3 в комплексе с добавкой 0,5% эффективного легкоплавкого минерализатора, как правило, щелочных соединений Li, №, К, связано с фазовыми и кристаллохимическими превращениями а^е203, имеющего самый низкий КО. Это вызвано образованием различных алюмосиликатных фаз, а также увеличением стеклофазы, являющихся оптически менее чувствительными к окраске и снижению КО при внедрении в них Fe2O3. Так, в результате взаимодействия метакаолинита А1203^Ю2 непосредственно с СаСО3 или СаО образуется анортит по реакции:

СаО + А1203^Ю2 = Са0-А1203^Ю2.

При комплексном содержании в шихте СаСО3 и добавки минерализатора увеличивается содержание расплава при спекании, в котором растворяется большее количество Fe2O3.

Результаты исследований отдельно синтезированных фаз позволили установить зависимости их КО от содержания Fe2O3 (табл. 5), определяемого по эталону — матовому стеклу с КО = 96%.

Из табл. 5 следует что самое низкое значение КО = 6,5% имеет гематит, наличие которого и обусловливает красно-коричневый или красно-розовый цвет кирпича. Метакаолинит, обычно присутствующий в значительном количестве в кирпиче, при внедрении в его структуру Fe2O3 в меньшей степени подвержен снижению КО вследствие изоморфного изовалентного замещения А13+ ^ Fe3+ в тетраэдрах [АЮ4]5-. Подобные замещения должны быть и в структуре стеклофазы. В муллите, структура которого состоит из тетраэдров [АЮ4]5- и октаэдров [А106]9-, изоморфные замещения, по мнению авторов, так же как в метакаолините, осуществляются по схеме: А13+ ^ Fe3+, что не вызывает интенсивного поглощения света, снижения КО и не приводит к интенсивной окраске фаз [1].

Резкое снижение КО анортита даже при низком количестве Fe2O3 = 0,5% следует объяснить особенностями его структуры. Как известно [2], структура анортита представляет собой каркас из связанных между собой тетраэдрических групп ^Ю4]4- и [А104]5- (изоморфное замещение Si4+ на А13+), а в пустотах этого отрицательно заряженного каркаса располагаются компенсирующие заряд катионы щелочных и щелочно-земельных металлов (К, №, Са, Ва). При этом, как отмечает В. Эй-тель [3], она имеет псевдотригональную симметрию аранжированных тетраэдров ^Ю4]4- и [А104]5- в виде слоев, следующих друг за другом в направлении; острые вершины каждых двух тетраэдров направлены либо вверх, либо вниз. С учетом этих кристаллохимических особенностей структуры анортита представляется возможным объяснение резкого снижения КО при образовании железосодержащего твердого раствора с оксидом Fe2O3. При наличии ионов Fe3+ происходят следующие изоморфные замещения:

— в пустотах, содержащих Са2+: 3Са2+ ^ 2Fe3+;

— в тетраэдрах алюминия: [А104]5- ^ [FeO4]5-.

Кроме того, возможно редкое замещение, как отмечает В. Эйтель, ^Ю4]4-~ ^04]5-.

Совокупность этих изоморфных замещений, происходящих в нанообъемах петель структуры анортита, приводит к образованию многочисленных железосодержащих кластеров и обусловливает сильное поглощение света и резкое снижение КО и белизны этой фазы керамики. Однако при этом даже с учетом значительного снижения КО при образовании твердого раствора анортита с Fe2O3 его образование выгоднее для повышения КО кирпича, так как при наличии свободного a-Fe2O3 кирпич имеет наименьший КО.

Таким образом, на основании результатов исследований установлено существенное влияние химико-минералогического состава глин как на эксплуатационные, так и на декоративные свойства керамического кирпича. Так, наличие в гидрослюдистых и гидрослюдисто-каолинитовых глинах повышенного количества оксидов железа и щелочных соединений обеспечивает улучшение спекания кирпича и повышение его прочности.

Окраска керамического кирпича на основе легкоплавких красножгущихся глин предопределяется количеством оксидов железа, фазовым составом и кристал-лохимическим состоянием ионов железа в его структуре. Наличие оксида железа в виде самостоятельной фазы гематита a-Fe2O3, имеющего самый низкий КО = 6,5% по МС-20, обусловливает интенсивную красную или красно-коричневую окраску. Распределение железа в стеклофазу или в алюмосиликатные фазы с образованием твердых растворов замещения А13+ ^ Fe3+ повышает КО и способствует в определенной степени нейтрализации окраски и осветлению кирпича.

Ключевые слова: фазовый состав, свойства керамических материалов, керамический кирпич, глина.

1. Зубехин А.П., Голованова С.П., Яценко Н.Д.и др. Спектроскопические и кристаллохимические основы белизны и цветности силикатных материалов // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Технические науки, 2007. № 5. С. 40-43.

2. Горшков В.С., Савельев В.Г., Федоров Н.Ф. Физическая химия силикатов и других тугоплавких соединений. М.: Высшая школа, 1988. 400 с.

3. Эйтель В. Физическая химия силикатов. М.: Изд. ин. лит., 1962. 1055 с.

ГЕМАТИТ / ЗОЛОШЛАКОВЫЙ МАТЕРИАЛ / КЕРАМИЧЕСКИЙ КИРПИЧ / КРИСТОБАЛИТ / МУЛЛИТ / РЕНТГЕНОФАЗОВЫЙ АНАЛИЗ / СОЛЕВЫЕ ОТХОДЫ ОТ ВТОРИЧНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ АЛЮМИНИЙСОДЕРЖАЩИХ ШЛАКОВ И ЛОМА / СТЕКЛОФАЗА / ТЕМПЕРАТУРА ОБЖИГА / ФАЗОВЫЙ СОСТАВ / ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП / CERAMIC BRICK / ELECTRONIC MICROSCOPE / ASHES SLAG MATERIAL / GLASS A PHASE / HEMATITE / MULLYTE / KRISTOBALYTE / PHASE STRUCTURE / ROENTGENOSCOPIC ANALYSIS / SALT WASTE PRODUCTS FROM SECONDARY PROCESSING INCLUDING ALUMINIUM SLAGS AND BREAKAGE / TEMPERATURE OF ROASTING

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Денисов Д. Ю., Абдрахимов В. З., Абдрахимова Е. С.

Показано, что при обжиге керамического кирпича на основе полиминеральной легкоплавкой глины, золошлакового материала и солевых отходов от вторичной переработки алюминийсодержащих шлаков и лома муллит образуется при 1000 оС. При повышении температуры обжига кирпича до 1100 оС муллит имеет короткопризматические кристаллы, что связано с высоким содержанием в сырьевых материалах Fe2О3, при этом Fe3+ замещает Al3, что приводит к ограниченному изоморфизму.

Research of phase structure at various temperatures of roasting of the ceramic brick on basis of easily fusible clay and waste products of manufacture1S

Researches have shown, that at roasting a ceramic brick on the basis of polymineral fusible clay, ashes slag a material and salt waste products from secondary processing including aluminium slags and breakage mullyte is formed at 1000оС. At rise in temperature of roasting of a brick up to 1100оС mullyte has short prisms crystals that is connected to the high maintenance in raw materials Fe2О3, thus Fe3+ replaces Al3, that results in the limited isomorphism.

Текст научной работы на тему «Исследование фазового состава керамического кирпича на основе легкоплавкой глины и отходов производств при различных температурах обжига»

Д. Ю. Денисов (асп.)1, В. З. Абдрахимов (д.т.н., проф.)1, Е. С. Абдрахимова (д.т.н., проф.)2

Исследование фазового состава керамического кирпича на основе легкоплавкой глины и отходов производств при различных температурах обжига

кафедра физики 443000, г. Самара, Московское шоссе, 34, тел. (846) 2674535

D. Yu. Denisov1, V. Z. Abdrakhimov1, E. S. Abdrakhimova2

Research of phase structure at various temperatures of roasting of the ceramic brick on basis of easily fusible clay and waste products of manufacture

34, Moscow Av, 443000, Samara, Russia; ph. (846) 2674535

Показано, что при обжиге керамического кирпича на основе полиминеральной легкоплавкой глины, золошлакового материала и солевых отходов от вторичной переработки алюминийсодержащих шлаков и лома муллит образуется при 1000 оС. При повышении температуры обжига кирпича до 1100 оС муллит имеет короткопризматические кристаллы, что связано с высоким содержанием в сырьевых материалах Ре^Оз, при этом Ре3+ замещает А13, что приводит к ограниченному изоморфизму.

Ключевые слова: гематит; золошлаковый материал; керамический кирпич; кристобалит; муллит; рентгенофазовый анализ; солевые отходы от вторичной переработки алюминийсодержащих шлаков и лома; стеклофаза; температура обжига; фазовый состав; электронный микроскоп.

Фазовый состав, текстура, морфологические особенности кристаллических фаз определяют главным образом эксплуатационные свойства керамических изделий 1. Влияние состава и строения жидкой фазы на формирование структуры и свойств данных объектов изучены недостаточно 2. Вместе с тем, зная закономерности этого влияния, можно в той или иной степени регулировать свойства керамических изделий.

Дата поступления 14.11.08

Researches have shown, that at roasting a ceramic brick on the basis of polymineral fusible clay, ashes slag a material and salt waste products from secondary processing including aluminium slags and breakage mullyte is formed at 1000oC. At rise in temperature of roasting of a brick up to 1100oC mullyte has short prisms crystals that is connected to the high maintenance in raw materials Fe203, thus Fe3+ replaces Al3, that results in the limited isomorphism.

Key words: ceramic brick; electronic microscope; ashes slag material; glass a phase; hematite; mullyte, kristobalyte; phase structure; roentgeno-scopic analysis; salt waste products from secondary processing including aluminium slags and breakage; temperature of roasting.

В работах 3-4 была показана принципиальная возможность использования золошлакового материала и солевых отходов вторичной переработки алюминийсодержащих шлаков и лома в производстве керамического кирпича на основе легкоплавкой глины Кротовского месторождения. Было установлено, что оптимальным для производства керамического кирпича является состав, содержащий, % мас.: глина Кротовского месторождения — 70, золошлаковый материал — 20, солевые отходы от вторичной переработки алюминийсодержащих шлаков и лома — 10.

0.181 кварц 0,190 полевой шпат

0 190 полевой шпат -0,197 кварц — 0.201 кристобалит 0,211 муллит 0.220 муллит

0,245 кварц V"—0.255 магнетит

-0.197 кварц 1^=- 0.201 кристобалит 1^~-__*_0,211 муллит 0.220 муллит

0,197 кварц — 0,201 кристобалит =—0.21* муллит =*—0,220 муллит

— 0,232 кристобалит -0.245 кварц

0,255 магнетит =— 0.268 гематит

==“0.232 кристобалит 0,245 кварц

0,245 кварц . 0.255 магнетит .0.268 гематит

0,268 гематит — 0.270 муллит

0.299 полевой шпат

0,299 полевой шпат

0,319 полевой шпат 319 полевой шпат

0,324 анортит ;• — 0,334 кварц

В данной работе изучено влияние температуры обжига керамических изделий вышеупомянутого состава на их свойства.

Материалы и методы

Кирпич оптимального состава изготовляли методом пластического формования при влажности шихты 20—24 %, затем высушивали до остаточной влажности не более 5—7 % и обжигали при температурах 950, 1000, 1050 и 1100 оС. Изотермическая выдержка при конечной температуре составляет 30 мин.

Рентгенофазовый состав исследуемых керамических облицовок проводился на дифрактометре ДРОН-6 с использованием СоКа- излучения при скорости вращения столика с образцом 1 град/мин.

Для получения наиболее полных сведений о структурообразовании в керамических облицовках проводилось изучение микроструктуры с помощью электронного микроскопа ЭМБ-100БР, метод «на просвет», реплика пла-тино-углеродная.

Результаты и их обсуждение

На рис. 1 представлена рентгенограмма исследуемого кирпича, обожженного в интервале температур 950—1100 оС.

При температуре 950 оС в керамических образцах особых изменений фазового состава не происходит за исключением появления жидкой фазы, гематита, магнетита и анортита (рис. 1, 1). Под микроскопом видны бесцветные желтоватые и бурые стекла с показателями преломления п от 1.50 до 1.54, образовавшиеся в результате плавления шпатов и смешаннослойных глинистых образований (рис. 2, А). Появление жидкой фазы при 950 оС объясняется повышенным присутствием И20 в солевых отходах вторичной переработки алюминийсодержащих шлаков и оксида железа в глине Кротовского месторождения и в золошлаковом материале (Бе2О3>5%). Температура обжига, равная 950 оС, способствует разложению СаСО3 и появлению жидкой фазы. С появлением в образцах жидкой фазы начинается процесс спекания керамических материалов.

Процесс спекания с участием жидкой фазы можно представить следующим образом: в самом начале появления жидкой фазы на поверхности зерен смеси возникают соответственно перемычки и монослой эвтектического

состава толщиной до 10-8 м и более в зависимости от термических условий 1-2.

При хорошей смачивающей способности расплава возможно проникновение жидкости в капилляры и выполнение ею роли цементирующего связующего за счет образующихся тонких пленок на контактах фаз, а при больших количествах расплава и большей ее вязкости происходит захватывание газов в результате закрепления пор, что способствует формированию пористой структуры 1-2. Жидкая фаза растворяет более тугоплавкие фазы или приводит к их разложению, что в значительной мере влияет на ее свойства.

Таким образом, жидкая фаза уплотняет и упрочняет черепок, а также влияет на дефектность структуры спекаемых материалов и активно участвует в важном процессе фазообра-зования керамики.

Увеличение температуры обжига до 1000 оС приводит к увеличению в образцах жидкой фазы, появлению муллита Ы/и = 0.211; 0.220; 0.270 и 0.344 нм) и кристобалита Ы/и = 0.201; 0.232 и 0.415 нм), рис. 1, 2.

Электронно-микроскопические исследования также показали, что при этой температуре отмечается появление муллита и кристобалита (рис. 2, Б). Содержание стеклофазы увеличивается до 25% и при этом образуются желтоватые и бурые стекла с показателями преломления п от 1.55 до 1.57.

Ранее было показано 3’ 4, что наличие муллита (3А1203 • 2БЮ2) в золошлаковом материале способствует образованию муллита в керамическом кирпиче, обожженном при 1000 оС 3’ 4. Механизм кристаллизации муллита в керамических материалах включает две стадии: образование центров кристаллизации (зародышей) и рост кристаллов в них 1 2’ 5. Центры кристаллизации могут зарождаться гетерогенно и гомогенно в результате локальных флуктуаций состава или структуры. В случае гомогенной кристаллизации состав выделяющихся кристаллов соответствует составу центров кристаллизации. Гетерогенная кристаллизация происходит на примесных центрах инородной фазы. Состав кристаллов в этом случае не соответствует составу центров кристаллизации. По-видимому, при обжиге кирпича в состав керамических масс которого входит золошлак, будет происходить гетерогенная кристаллизация муллита.

Низкие физико-механические показатели (не более 12 МПа) образцов из исследуемого состава связаны с дефектностью кристалличес-

Рис. 2. Микроструктура кирпича, обожженного при различных температурах: А — 950 оС, Б — 1000 оС,

В — 1050 оС, Г — 1100 оС. 1 — стеклофаза, 2 — гематит; 3 - магнетит; 4 — кварц; 5 — первичный муллит; 6 — кристобалит; 7 — кварц с каемкой оплавления; 8 — первичный («чешуйчатый») муллит; 9 — псевдоморфозы стекла с короткопризматическим муллитом. Увеличение А—В Х24000, Г Х32000.

кой структуры муллита, что заметно по ослаблению интенсивностей рентгеновских рефлексов и образованию вблизи них областей диффузного рассеяния. Характер дефектности не установлен. Предполагается, что одной из ее причин является наличие дислокаций на гра-

нице блоков кристаллов муллита, которые при сравнительно низких температурах обжига имеют зональное строение 5.

Низкие физико-механические показатели исследуемых образцов данных составов можно связать также с тем, что в керамических матери-

алах образуется муллит с дефектами «тонкой» структуры 1-2, 5. Они вызываются замещениями Бе3+ на А13+. Рентгеновскими исследованиями структуры муллита установлено, что его кристаллическая решетка имеет «дырки» диаметром 0.67• 10-10 м, в которые без нарушения структуры могут внедряться посторонние оксиды, с радиусом катиона, меньшим или равным 0,6740-10 м (А12О3, Сг203, ТЮ2, Ре203 и т. д.) 5. Посторонний ион вследствие отличия размера его радиуса от величины радиуса ионов решетки вызывает в ней искажение. Кристаллы такого муллита подвержены краевой дислокации, то есть закономерным отклонениям в расположении элементов структуры. При краевой дислокации верхняя часть кристалла, как правило, претерпевает напряжение сжатия, а нижняя часть — напряжение растяжения 6.

Объемный эффект при переходе а-кварца в а-кристобалит составляет 15.4 %, что способствует разрыхлению поверхности кристаллической решетки 6. У разрыхленных и богатых дефектами, а также аморфных веществ, твердофазовые реакции протекают быстрее, благодаря ускоренной самодиффузии и гетеродиффузии 5-6. Содержание кристобалита снижает механическую прочность изделий, а образование его из аморфного кремнезема, выделившегося в результате муллитизации, обусловливает проницаемость изделий.

При увеличении температуры обжига до 1050 оС отмечается увеличение содержания кристаллических новообразований муллита, анортита и кристобалита (рис. 1, 3). Повышение температуры обжига приводит к снижению дефектности структуры муллита и росту его способности сопротивляться действию серной кислоты. Интенсифицируется полиморфный переход а-кварца в а-кристобалит, при этом количество жидкой фазы увеличивается до 30-35 %.

Под микроскопом в обожженных образцах наблюдается увеличение содержания стек-лофазы. Показатели светопреломления стекол изменяются от 1.57 до 1.61 (рис. 2, В).

Дальнейшее увеличение температуры обжига кирпича до 1100 оС приводит к образованию псевдоморфозы стекла с короткопризматическим муллитом (рис. 1, 4; 2, Г).

Необычная форма кристаллов муллита, вероятно, обусловлена тем, что в сырьевых ма-

териалах наблюдается повышенное содержание Ре203. Известно, что с возникновением твердых растворов замещения образуется муллит различного химического состава 1-2, 5-6. При этом ион Бе3+ замещает А13+. Внедрение в твердый раствор оксида железа и приводит к кристаллизации муллита в виде короткопризматических кристаллов вместо тончайших игл и удлиненно-призматических кристаллов (рис. 2, Г).

При температуре обжига кирпича, равной 1100 оС еще более интенсифицируется полиморфный переход а-кварца в а-кристобалит при этом увеличивается количество жидкой фазы до 45-50 %, что приводит к частичной деформации кирпича.

В обожженных образцах наблюдается увеличение содержания стеклофазы (рис. 2). Показатели светопреломления стекол изменяются до 1.65, что очевидно, связано с частичным переходом оксида железа в стекло.

Таким образом, исследования показали, что при обжиге керамического кирпича на основе полиминеральной легкоплавкой глины, золошлакового материала и солевых отходов вторичной переработки алюминийсодержащих шлаков и лома муллит образуется при температуре обжига от 1000 оС и выше. При повышении температуры обжига кирпича до 1100 оС муллит содержит короткопризматические кристаллы, что связано с высоким содержанием в сырьевых материалах Ре2О3, вследствие чего замещение ионов Бе3+ на А13+ приводит к ограниченному изоморфизму.

1. Абдрахимов В. З., Абдрахимова Е. С. Химическая технология керамического кирпича с использованием техногенного сырья.- Самара: Изд-во СамГАСУ, 2007.- 431 с.

2. Абдрахимов В. З., Абдрахимова Е. С. Основы материаловедения.- Самара: Изд-во СамГАСУ, 2006.- 495 с.

3. Денисов Д. Ю., Ковков И. В., Абдрахимов В. З., Абдрахимова Е. С. // Башкирский химический журнал.- 2007.- Т. 14, №4.- С. 79.

4. Денисов Д. Ю., Абдрахимов А. В., Абдрахимова Е. С., Абдрахимов В. З. // Экология и промышленность России.- 2008.- №3.- С. 24.

5. Павлов В. Ф. Физико-химические основы обжига изделий строительной керамики.- М: Стройиздат, 1977.- 272 с.

6. Куколев Г.В. Химия кремния и физическая химия силикатов.- М: Высшая школа, 1966.- 463 с.

где σ - величина растягивающего напряжения; E - модуль Юнга; ε -относительное удлинение.
Модуль Юнга или модуль упругости характеризует силу химической связи структурных элементов в кристаллической решетке.
Деформативность гетерогенных материалов кроме модуля Юнга характеризуют еще модулем деформации (Ед).

Отношение модуля Юнга E к модулю деформации Ед является одним из показателей однородности структуры.
Наряду с природой керамики на ее модуль упругости влияет пористость. По Кнудсену для пористого материала:

где Eп и Eо - модуль упругости соответственно пористого и беспористого материала, П - пористость, а - коэффициент, зависящий от структурных особенностей.
Модуль упругости может достигать для конструкционной керамики 1. 4*10в5 МПа.
Наряду с модулем упругости деформативные свойства керамики характеризуются коэффициентами Пуассона μ и сдвига φ:

где Δd/d - относительное изменение толщины образца при одноосном сжатии или растяжении; Δ1/1 — относительное изменение длины; τc - напряжение сдвига; εс - относительная деформация сдвига.
Модуль упругости, коэффициенты Пуассона и сдвига связаны соотношением:

Керамика обладает дефектной структурой, обусловленной образованием микротрещин и дислокаций, внедрением в кристаллическую решетку примесных ионов. Дефекты снижают прочность материала. Теоретическая прочность керамики составляет около 1. 5*10в4 МПа. Фактическая прочность зависит от вида керамики, характера и количества дефектов. Наибольшей прочностью обладает оксидная керамика кристаллического строения. Предел прочности при статическом изгибе для керамики с большим количеством стеклофазы (например, фарфора) - может достигать до 100 МПа. Одной из существенных причин, способствующих разрушению, может явиться различие коэффициентов термического расширения отдельных фаз, которое приводит к повышению напряжений на границах этих фаз в случаях изменения температуры материала. Снижению прочности керамики способствуют поры, зачастую внутрикристаллические, а также мелкие и мельчайшие трещины, которые концентрируют напряжения.
Влияние пористости на прочность можно выразить уравнением:

где R0 - прочность материала без пор; b - константа; П - объем пор в долях от единицы.
Наличие поры в материале вызывает увеличение концентрации напряжений вокруг нее до 2 раз сравнительно с величиной напряжений в окружающей матрице материала.
Керамика мелкозернистого строения, как правило, более прочна, чем крупнозернистая, при одном и том же химическом и фазовом составе.
Значения прочности керамических материалов колеблются в широком диапазоне. Так, если для грубой (строительной) керамики предел прочности на сжатие колеблется от 10 до 30 МПа, то для технической корундовой керамики он составляет 200-300 МПа.
Прочностные свойства керамики с повышением температуры, как правило, снижаются.
В ряде случаев керамика работает в напряженном состоянии, находясь под усилиями сжатия или растяжения. Способность керамики выдерживать эти постоянные нагрузки при высокой температуре оценивают методом определения температуры начала деформации при нагрузке 0,2 МПа.
При низких температурах керамика разрушается как хрупкое тело, пластическая деформация почти полностью отсутствует. Разрушение происходит как по стекловидной фазе, так и по кристаллам. В некоторых случаях в керамике чисто кристаллического строения разрушение происходит по границам зерен, не нарушая их целостности.
Если в керамике содержится значительное количество стеклофазы, то разрушение происходит в первую очередь по стеклу, которое обладает меньшей прочностью.
Особым видом необратимой деформации является ползучесть, когда пластическая деформация в материале со временем возрастает при действии статической нагрузки. Эта деформация обусловлена, главным образом, скольжением по границам между отдельными кристаллами или перемещениями дислокаций. При высоких температурах наблюдается также пластическая деформация, вызываемая скольжением границ зерен. В частности, при наличии на границах зерен стекловидной фазы при высоких температурах вязкость снижается, и скольжение границ зерен происходит легко и свободно.
Удельная теплоемкость керамики удовлетворительно описывается аддитивной формулой:

где ci - удельная теплоемкость i-той фазы; m - массовая доля фазы.
Средняя теплоемкость глиняного кирпича 0,74, шамотных изделий 1,04 кДж/(кг °С). Теплоемкость существенно изменяется при низких температурах и незначительно при высоких, особенно после 1000°C. На величину теплоемкости в определенной мере влияют дефекты кристаллической решетки материала и некоторые другие факторы.
Термическое расширение керамических материалов происходит, главным образом, вследствие увеличения при их нагревании амплитуды колебаний атомов относительно среднего положения. Для характеристики температурного расширения используют объемный (β) и линейный (α) коэффициенты (к.т.р.). Последний находят по формуле:

где L - первоначальная длина образца вдоль выбранного направления.
Объемное расширение β принимается β = 3α.
Значения к.т.р. зависят от кристаллической структуры материала, сил связи между структурными элементами.
На границе двух соприкасающихся фаз с разным коэффициентом термического расширения действуют напряжения сжатия на фазу с большим коэффициентом термического расширения и напряжения растяжения - на фазу с меньшим коэффициентом термического расширения. При превышении напряжения сверх некоторого критического появляются трещины.
Теплопроводность керамики при кондуктивной передаче теплоты изменяется обратно пропорционально температуре:

где λu - радиационная теплопроводность (λu~Т3)
Особенно сильно влияют на теплопроводность поры, представляющие собой микроразрывы в виде тонких плоскостей толщиной 10в-3. 10в-4 см. Теплопроводность теплоизоляционных керамических материалов слабо зависит от состава твердой фазы и определяется главным образом пористостью и характером структуры.
Для многофазных керамических материалов при Т≥500°С, когда сказывается передача теплоты излучением, применяют эмпирические формулы вида:

где а, b, с - эмпирические константы.
Скорость распространения тепла (температуры) характеризуется температуропроводностью, связанной с λ зависимостью:

где ρ0 - средняя плотность, кг/м3; с - теплоемкость Дж/(кг °С).
Разрушение керамики при многократных термических воздействиях обусловлено возникновением градиентов температур (напряжения I рода), а также анизотропным расширением, локальными химическими реакциями, неравномерным изменением объема при полиморфизме и т.п. (напряжения II рода). Предложен ряд критериев термостойкости керамики с учетом условий службы изделий. Основные из них: число теплосмен, при котором изделие разрушается при определенном режиме нагревания и последующего охлаждения; потеря механической прочности образца после определенного числа теплосмен; предельный температурный перепад, при котором изделие разрушается или ухудшаются его технические свойства.
Коэффициент термической стойкости К связан с его теплопроводностью λ, пределом прочности при разрыве Rp, теплоемкостью С, плотностью ρ, коэффициентом термического расширения α и модулем упругости Е:

Читайте также:

Структура керамического кирпича представляет собой фазную систему

Оглавление