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:
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.