Scientific journal
Advances in current natural sciences
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

INFLUENCE OF CERAMOMETALLIC COMPOSITES ON FIREPROOF MATERIAL PROPERTIES

Klyuchnikova N.V. 1
1 Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov
2594 KB
Consider getting refractory ceramic materials with low temperature sintering. It was shown that composites based on clays have, inter alia, high refractory properties. The refractory material was evaluated by their ability to withstand tensile stresses at high temperatures for a long time. Studies have found that the addition of metallic aluminum in the clay mass allows to intensify the process of sintering at lower temperatures. In the resulting mullite-corundum material absent phase of quartz, alumina and aluminum silicate spinel, which are found by X-ray method in the study of keramometallic binder.
ceramics
refractories
baking
binder
aluminum
sintering

В настоящее время особенно остро стоит проблема получения строительных материалов нового поколения, обладающих совокупностью своих специфических свойств. Чем сложнее область применения какого-либо строительного материала, тем многочисленнее комплекс предъявляемых к ним требований.

Цель исследования. Пригодность материалов не может быть оценена каким-либо общим свойством. Например, строительный кирпич оценивается пористостью, прочностью, морозостойкостью, точностью формы и размеров [1 – 18]. Однако большой интерес представляют собой композиты на основе глин, обладающие, кроме всего прочего, высокими огнеупорными свойствами. Качество огнеупорных материалов оценивается их способностью противостоять действию нагрузок при высоких температурах в течение длительного времени. Так как корундовая керамика с пониженной температурой спекания и высоким уровнем свойств является одним из наиболее значимых материалов для применения в современной технике, представлялось интересным снизить температуру спекания корундовой керамики и при этом сохранить ее высокие эксплуатационные характеристики путем введения разработанного композита на основе каолинитовых глин и металлического алюминия [19-22] в качестве связующего.

Материалы и методы исследования

В качестве исходного сырья использовали электроплавленный корунд, глуховецкий каолин и металлический алюминий. Опытные образцы готовили следующим образом: алюминий плавили в жаростойких тиглях при температуре 660 – 700°С, далее добавляли по частям и при непрерывном перемешивании эквимолярное количество глуховецкого каолина дисперсностью менее 64 мкм; при этом происходило диспергирование алюминия в глинистом компоненте. В результате образуются частицы размером менее 0,3 мм. Структура полученного порошка алюминия, капсулированного в глинистом компоненте, представлена алюминием, покрытым пленками оксида алюминия и дегидратированного глинистого компонента, который представлен метакаолинитом и дегидратированной глиной.

Как известно, корундовую керамику обжигают при температуре 1550–1750°С в зависимости от состава и количества вводимых добавок. В ходе наших исследований [23-27] было обнаружено, что введение металлического алюминия в глинистые массы позволяет интенсифицировать процесс спекания при более низких температурах.

Понижение температуры спекания керамики, как известно, может быть осуществлено посредством введения добавок, образующих жидкую фазу в ходе спекания, которая хорошо смачивает кристаллы корунда, имеет достаточно низкую температуру образования и высокое поверхностное натяжение. При спекании корундовой керамики эффективными являются добавки эвтектического состава, позволяющие понизить температуру спекания до 1350-1450°С и получить плотные образцы при обжиге в воздушной среде.

При введении металлического алюминия в каолин протекают следующие процессы.

В интервале температур 450–600°С идет дегидратация каолинита собразованием метакаолинита:

klu1.wmf

При термомеханическом диспергировании металлического алюминия в каолине образуются частицы алюминия, капсулированного вметакаолините.

Свыше 660°С идет процесс окисления алюминия с образованием оксида алюминия:

4Al + 3 O2→ 2Al2O3

При температурах от 900°С и выше, как показали наши исследования [25-33], выкристаллизовывается муллит, в образовании которого принимает участие активный оксид алюминия, полученный на 3 стадии.

Al2O3∙2SiO2 + 2Al2O3→ 3Al2O3∙2SiO2

2SiO2 + 3Al2O3→ 3Al2O3∙2SiO2

Теоретический расчет количественного состава керамометаллического связующего, исходя из приведенных реакций, показал, что для полного перехода метакаолинита и кварца в муллит необходимо введение 30 % металлического алюминия в каолин.

Затем полученный порошок алюминия, капсулированного в глинистой составляющей, охлаждали. Далее исходный каолин смешивали с приготовленным ранее порошком из расчета, что вся шихта должна содержать 30 % алюминия. Полученные таким образом сырьевые смеси модифицировали водным раствором хлорида алюминия.

Результаты исследования и их обсуждение

Полученную композиционную смесь смешивали с электроплавленным корундом, размолотым до частиц дисперсностью менее 64 мкм (табл. 1).

Для придания изделиям необходимой плотности и формы, полученная сырьевая масса формовалась методом полусухого прессования при давлении 30 МПа.

После завершения процесса прессования, образцы подвергались сушке до постоянной массы при температуре 120 °С. Далее образцы обжигали в силитовой печи при температурах 1250 – 1400°С.

При исследовании муллито-корундового материала на основе электроплавленного корунда и керамометаллического связующего рентгенофазовым методом были зафиксированы рефлексы при 5.704, 4.505, 3.043, 2.440, 1.524, 1.403Å, характерные фазе α- Al2O3 и рефлексы при 5.404, 3.430, 2.697, 2.344, 2.219, 2.129, 1.524Å, характерные фазе муллита.

В полученном муллито-корундовом материале отсутствуют фазы кварца, алюминия и алюмосиликатной шпинели, которые обнаружены рентгенофазовым методом при исследовании керамометаллического связующего. Это свидетельствует о том, что алюминий полностью окисляется и реагирует с метакаолинитом и кварцем до образования муллита.

Исследования спекаемости материалов, показали, что температура спекания материала уменьшается при введении керамометаллического связующего.

Можно сделать вывод, что введение керамометаллического связующего до 20 % позволяет снизить температуру обжига до 1350 °С. Кроме того, водопоглощение муллито-корундового материала, обожженного при данной температуре, также снижается с увеличением содержания керамометаллического связующего.

Физико-механические и эксплуатационные свойства муллито-корундового материала с содержанием керамометаллического связующего представлены в табл. 2.

Таблица 1

Количественное содержание компонентов в материалах

Компонент

Содержание, % мас.

Состав шихты

1

2

3

4

Электроплавленый корунд

95

90

80

70

Композиционная смесь на основе глуховецкого каолина с 20 %-ным содержанием алюминия

5

10

20

30

Таблица 2

Физико-механические и эксплуатационные свойства муллито-корундового материала

Наименование показателей

Показатели свойств муллито-корундового материала, обожженного при температуре, °С

1250

1300

1350

1400

Плотность, г/см3

3,1

3,4

3,63

3,66

Пористость, %

8,3

5,6

4,6

4,5

Водопоглощение, %

2,67

1,65

1,27

1,23

Предел прочности на сжатие, МПа

12

59

143

146

Предел прочности при изгибе, МПа

5

17

48

49

Термостойкость, циклы

15

40

80

80

Заключение и выводы

Таким образом, анализируя полученные данные можно утверждать, что введение керамометаллического связующего в корундовую керамику позволяет уменьшить температуру спекания материала при этом сохранить его физико-механические и эксплуатационные свойства, а также снизить себестоимость композита. Следовательно, композиты на основе каолинитовой глины и металлического алюминия можно использовать в качестве связующего при изготовлении муллито-корундовой керамики.

Выявлено, что присутствующий в керамометаллическомсвязующем алюминий полностью окисляется и реагирует с метакаолинитом и кварцем до образования муллита.

Установлен оптимальный состав муллито-корундового материала, содержащего 80 % электроплавленного корунда и 20 % керамометаллического связующего.