XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

Технологические факторы (параметры технологии), влияющие на спекание, можно подразделить на механические, тепло­технические и химические.

Механическое активирование происходит при измельчении материала. В результате измельчения увеличивается свобод­ная энергия и кривизна частиц, уменьшается путь диффузии (что благоприятно влияет на спекание) и разрушается мак­роструктура агломерата предыдущей фазы. Оптимальные зна­чения тонкости помола, устанавливаемые опытом, опреде­ляются экономическими соображениями. Вообще механохимические методы с энергетической точки зрения имеют очень малое значение к.п.д. Установлено, что порошки длительного сухого по­мола более активны при спекании (более реакционноспособны), чем порошки мок­рого помола при равной их дисперсности.

К механическим параметрам технологии, ускоряющим спе­кание, относится уплотнение материала перед спеканием (прессование).

На скорость спекания и достижение спеченного состояния материала прежде всего влияют температура спекания и скорость роста температуры. Если максимальная температура спекания определяется свой­ствами материала и требованиями получения заданной порис­тости, то скорость подъема температуры в основном огра­ничивается необходимостью равномерности прогрева обжигае­мого материала и получения материала без дефектов (бра­ка). Скорость нагревания и характер газовой среды (режим обжига) устанавливают опытом с учетом физико-химических процессов в спекаемом материале. Для собственно спекания более благоприятен период подъема температуры, чем изо­термическая выдержка.

Химическое активирование спекания сводится к введению добавок, как образующих, так и не образующих жидкую фазу

Добавки, образующие жидкую фазу, подбирают, исходя из двух условий: жидкая фаза должна быть хорошо смачивающей и иметь возможно меньшую вязкость, добавку вводят в таком количестве, чтобы общее содержание жидкой фазы при температуре спекания было бы ниже 10 %.

Для снижения температуры жидкофазного спекания добавки подбираются из условия образования легкоплавких эвтектик.

Добавки, не образующие с основным материалом жидкой фазы, в свою очередь подразделяют на три группы: активирующие процесс спекания и одновременно ускоряющие рекристаллизацию (TiO₂ в Al₂O₃; LiO₂ в MgO; CaO в ThO₂ и др.); активирующие спекание, но замедляющие процесс рекристаллизации (MgO или BeO в Al₂O₃); замедляющие процесс спекания и замедляющие рост зерен (CaO, CoO, Cd₂O₃ в Al₂O₃).

Добавки можно классифицировать и по растворимости их в основном веществе: полностью растворимые; нерастворимые, но образующие жидкую фазу; инертные; образующие химическое соединение.

Обычно добавки влияют на спекание при малых концентрациях. При этом следует учитывать, что добавки, образующие твердые растворы, уско­ряют спекание, а добавки, образующие химические соедине­ния, тормозят.

Спекающие добавки выбирают и оценивают их эффектив­ность по трем параметрам: по разности электроотрицатель­ности катионов добавки и основного оксида (у более активных добавок разность больше); по относительной разности ионных радиусов катиона добавки и оксида (у более активных добавок разность меньше, так как по мере увеличения разницы радиусов катионов уменьшается раство­римость добавки в оксиде); по разнице сил связи катионов с кислородом у добавки и у основного оксида (сила связи катиона добавки к кислороду должна быть больше, чем сила связи катиона к кислороду основного оксида). Имеются и другие рекомендации по выбору добавок: катион оксида добавки и катион основного оксида должны иметь как можно большую разницу величин ионных радиусов с целью образова­ния значительных напряжений в кристаллической решетке; одновременное использование добавок, образующих в одной матрице твердые растворы изовалентного и неизовалентного типов, усиливает эффект действия добавок.

Влияние геометрического фактора добавок на спекание кроме отношения их размеров описывается принципом ориентационно - размерного соответствия, заключающимся в следующем. Если решетки обеих фаз сходны и разности их параметров невелики (~ 15 %), то ориентация частиц нового тела на материнском веществе сильно облегчает начальный период возникновения новой фазы.

Эффект действия добавок зависит от концентрации. Опти­мальная концентрация добавок должна находиться в пределах растворимости и не превышать концентрации, приводящей к образованию побочных кристаллических фаз. Например, для силикатов и оксидов системы MgO-Al₂O₃—SiO₂ в большинстве случаев оптимальная доля добавки находится в пределах 0,05-1,0 %. Увеличение концентрации добавок заведомо выше оптимальных приводит к образованию в межзеренном прост­ранстве новых кристаллических фаз, представляющих оксиды добавок или продукты их взаимодействия с основным окси­дом. Количество добавки влияет и на рекристаллизацию. Установлено, что добавки, характеризующиеся значительной растворимостью, усиливают рекристаллизацию оксидов при спекании; добавки, которые растворяются в количествах < 1 %, либо слабо влияют на рекристаллизацию, либо пре­пятствуют ее прохождению.

Механизм действия микродобавок заключается в одновре­менном протекании непосредственного взаимодействия доба­вок с основным веществом на поверхности контакта и диф­фузии катионной добавки внутрь зерен и микрокристаллов. Последний процесс ослабляет связи между микрокристаллами и блоками мозаики, что создает благоприятные условия для зернограничного проскальзывания под действием капиллярных сил (облегчение, пороговой ползучести). Наконец, добавки могут играть роль своеобразной смазки, облегчающей сколь­жение макрочастиц.

Практически с помощью активирующих добавок удается существенно снизить температуру спекания.

Новой функцией активных добавок (кроме интенсификации спекания) является участие их в процессе модифицирования структуры. Некоторые добавки поглощают часть энергии у кончика растущей трещины, что обусловливает повышение прочности при спекании.

Список литературы

1. Августинник А.И. Керамика - М.: Промстройиздат, 1957. - 484 с

2. Стрелов К.К., Кащеев И.Д. Теоретические основы технологии огнеупорных материалов / Учебное пособие для вузов. 2-е издание, переработанное и дополненное М.: Металлургия, 1996. – 608 с.

3. Айрапетов Г.А., Безродный О.К., Жолобов А.Л., Жуков А.В. Строительные материалы – М.: Феникс, 2007. – 620 с.

4. Станевич В.Т. Строительная керамика: учебное пособие. – Павлодар, ПГУ им. С. Торайгырова, 2008. – 96 с.

5. Погребенков В.М. Технология тонкой и строительной керамики. Часть 1: учебное пособие. – Томск, ТПУ, 2005. – 109 с.

6. Пивинский Ю.Е. Теоретические аспекты технологии керамики и огнеупоров. Избранные труды. Том 1. – СПб.: Стройиздат СПб, 2003. – 242 с.

7. Горохова, Е.В. Материаловедение и технология керамики. – Мн.: Вышэйшая школа, 2009. – 222 с.

8. Василовская Н.Г., Енджиевская И.Г., Баранова Г.П. и др. Основы технологии строительной керамики и искусственных пористых заполнителей: Учебное пособие – Красноярск: Изд-во СФУ, 2016. – 200 с.

9. Гузман И.Я. Химическая технология керамики: учеб. пособие для вузов. – М.: Стройматериалы, 2003. – 496 с.: ил.

10. Барабанщиков Ю.Г. Строительные материалы и изделия – М.: ACADEMIA, 2008. – 368 с.