Получение термостойкой керамики в системе Li2O-MgO-Al2O3-SiO2 тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.11, кандидат технических наук Андреев, Кирилл Павлович

• Андреев, Кирилл Павлович
• кандидат технических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат технических наук Андреев, Кирилл Павлович

Оглавление

Стр.

Введение

Глава 1. Аналитический обзор литературы

1.1 Термостойкость керамических материалов

1.2 Термостойкие соединения в системе ЬлгО-МдО-А^Оз-БЮг

1.2.1 Термостойкая керамика на основе кордиерита

1.2.2 Алюмосиликаты лития

1.2.3 Муллит и керамика на его основе

1.2.4 Термостойкие композиционные материалы в системе

1л20-МВ0-А120з-8Ю2

Глава 2. Характеристика исходных материалов и методики

исследований

2.1 Характеристика исходных материалов

2.2 Методики исследований

2.3 Обработка результатов эксперимента

Глава 3. Получение плотной керамики на основе виброактивированных порошков кордиерита, сподумена и муллита, синтезированных

низкотемпературными методами

3.1 Синтез сложных оксидов

3.1.1 Синтез кордиерита и сподумена

3.1.2 Низкотемпературный синтез муллита

3.2 Влияние механоактивации при вибропомоле на спекание и

свойства термостойкой керамики

Глава 4. Изучение политермических разрезов кордиерит - сподумен,

кордиерит - муллит, муллит - сподумен

4.1 Построение диаграмм состояния систем кордиерит -

сподумен, кордиерит - муллит, муллит - сподумен

Глава 5. Свойства композиционных материалов на основе

кордиерита, сподумена и муллита

5.1 Спекание композиционных материалов

5.2 Свойства композиционных материалов

5.2.1 КТР композиционных материалов

5.2.2 Модуль Юнга композиционных материалов

5.2.3 Термостойкость композиционных материалов

5.2.4 Прочность композиционных материалов

Общие выводы по диссертации

Список литературы

Приложения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Получение термостойкой керамики в системе Li2O-MgO-Al2O3-SiO2»

Введение.

Термостойкость является важнейшим показателем керамических изделий, предназначенных для эксплуатации в условиях частой смены температуры. Это комплексный критерий, который в первую очередь определяется такими свойствами материала, как прочность, теплопроводность и коэффициент термического расширения (КТР). Поскольку все оксидные керамические материалы обладают относительно низкой прочностью и теплопроводностью, малый КТР становится ключевым критерием при выборе материалов для создания термостойкой керамики.

Среди всех силикатных материалов алюмосиликат магния - кордиерит и алюмосиликат лития - сподумен отличаются сильно выраженной анизотропией термического расширения кристаллической решетки, что приводит к чрезвычайно низкому эффективному КТР материалов на их основе. Эти особенности кордиерита и сподумена делают их основными веществами для создание термостойкой керамики. Однако, оба материала спекаются в узком интервале температур ( при Т = 0.9ТШ) и поэтому для получения плотной керамики из индивидуальных веществ в ее состав приходится вводить активирующие спекание стеклообразующие добавки, содержание которых может достигать 10 %. Присутствие такого количества стеклофазы в керамическом материале сказывается на уменьшении температурного интервала эксплуатации керамики и существенно снижает термостойкость и прочность изделий, тем самым практически нивелируя уникальные свойства кордиерита и сподумена.

Поэтому в последнее время все большее значение придается разработке более эффективных способов активизации процессов спекания указанных керамических материалов. Эти методы заключаются в интенсификации процессов спекания за счет использования порошков с

повышенным содержанием дефектов в кристалической решетке. Механоактивация, реализуемая при виброизмельчении керамических порошков, известна как один из самых эффективных способов получения дефектной структуры и широко применяется для активирования процессов спекания. Однако, внутренняя дефектная структура зерна может быть заложена уже при синтезе вещества и, следовательно, наиболее эффективным методом получения высокодисперсных активированных порошков является сочетание механоактивации (вибропомола) с низкотемпературным синтезом материалов.

Другой прогрессивный способ получения новых керамических материалов с улучшенными эксплуатационными и технологическими свойствами - это создание композиционных материалов, сочетающих в себе свойства индивидуальных компонентов. Кордиерит и сподумен реализуются в четверной системе ЬлгО-М^-АЬОз-ЗЮг и обладают значительной термодинамической стабильностью. Поэтому логичным является предположение о совместимости этих соединений. Использование композиций, составленных из термостойких компонентов, при условии эвтектического характера взаимодействия между ними, может позволить изменить характер протекания процесса спекания керамик на основе кордиерита и сподумена, что дало бы возможность получать термостойкую керамику при пониженных температурах обжига без введения плавней.

Помимо узкого интервала спекания, низкая прочность кордиерита и сподумена является показателем, препятствующим более широкому применению этих материалов. В ряде исследований была предпринята попытка повысить прочностные характеристики термостойкой керамики путем введения в ее состав более «прочных» оксидных соединений. Однако в большинстве случаев желаемые результаты достигнуты не были. При этом главными препятствиями являются взаимодействие компонентов при

спекании композиций или резкое увеличение КТР композиции при введении второго компонента в состав термостойкой керамики.

Муллит также реализуется в указанной системе 1л20-М^-А1203-8Ю2. Он в спеченном состоянии обладает сравнительно невысоким КТР и значительными для силикатного материала прочностными показателями, которые остаются неизменными при нагревании муллитовой керамики вплоть до 1400 °С. Некоторые зарубежные исследования по созданию целевых материалов на основе кордиерита и муллита показали перспективность такого подхода для создания термостойких композиций с улучшенными прочностными показателями.

Чистый муллит характеризуется низкой скоростью диффузионных процессов, что значительно осложняет спекание муллитовой керамики, и получение плотной керамики из чистого муллита стихеометрического состава с регулярной структурой считается практически невозможным. Следовательно, введение более легкоплавких и термостойких компонентов таких как кордиерит и сподумен позволит получать плотную керамику на основе муллита с пониженной температурой спекания. Следовательно, весьма важной является информация об изменении свойств композиций.

Целью данной работы является разработка методов и технологии получения термостойких композиционных материалов в системах кордиерит - сподумен, кордиерит - муллит и сподумен - муллит, исследование их основных свойств.

Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие вопросы:

1. Методами низкотемпературного синтеза синтезированы кордиерит, сподумен и муллит. Изучено влияние механоакгивации (вибропомола) порошков на процессы спекания чистых кордиерита, сподумена и муллита.

2. Исследован или уточнен характер взаимодействия компонентов в политермических разрезах кордиерит - сподумен, кордиерит - муллит, сподумен - муллит, проходящих в объеме четверной системы 1л20-М£0-А120з-8Ю2. Построены соответствующие диаграммы состояния.

3. Изучены закономернрости спекания композиционных материалов в системах кордиерит - сподумен, кордиерит - муллит, сподумен - муллит. Разработаны эффективные режимы обжига композиционных материалов, в которых имеет место кристаллизация компонентов из эвтектического расплава при охлаждении.

4. Исследованы наиболее важные физико - механические и эксплуатационные характеристики, микроструктура термостойких керамических материалов.

5. Изготовлена и испытана в лабораторных и промышленных условиях партия термостойкой керамики из кордиерито-сподуменового композиционного материала.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Андреев, Кирилл Павлович, 1998 год

Список литературы.

1 Кинджери В.Д. Измерения при высоких температурах. - М.: Металлургиздат, 1963. - 466 с.

2 Davidge В., Tappin G Thermal shock and fracture in ceramics// 'Trans. Brit. Ceram. Soc.'. - 1967. - vol. 66. - #8. p. 405.

3 BuessemW.R. Mechnical properties of engineering ceramics intersci. -N.Y., 1961.-p 303

4 Соболев И.Д., Егоров В.И. Прочность и деформация в неравномерных температурных полях. - М.: Госатомиздат, 1962. - 194 с.

5 Кинджери У.Д. Введение в керамику. - М.: Стройиздат, 1964 - 534 с.

6 Масленникова Г.Н., Харитонов Ф.Я. Электрокерамика, стойкая к термоударам. - М.: Энергия, 1977. - 192 с.

7 Bates J., Placebo N.D. Thermal shock resistant cordierite ceramics// «Global Ceramic Review» - 1996. - issue # 1 (spring), p. 147.

8 Аветиков В.Г., Зинько Э.И. Магнезиальная электротехническая керамика. - М.: Энергия, 1973. - 184 с.

9 Гузман И.Я. Пористая техническая керамика из высокоогнеупорных оксидов и карбидов// «Журн. Всесоюзного химического общества им. Д.И.Менделеева». - 1965. - т. 10. - № 5. - С. 571-574.

10 Прочность материалов при высоких температурах. /Писаренко Г.С., Руденко В Н., Третьяченко В.Н., Трощенко Т.Н. - Киев.: Наукова думка, 1966. - 791 с.

11 Паркус Г. Неустановившиеся температурные напряжения. - М.: Физматгиз, 1963. - 252 с.

12- Новая керамика./Под ред. П.П. Будникова. - М.: Стройиздат, 1969. -312 с.

13- Балкевич В. Л. Техническая керамика. - М.: Стройиздат, 1984, 256

с.

14 Диаграммы состояния силикатных систем: Справочник/Под ред. Торопова Н А. - выпуск третий - Л.: «Наука»,, 1972, с 448.

15 Ruan W. Dupon, Richard L. McConville, Dougias J. Musalf. Preparation of cordierite below 1000 °C via bismuth oxide flux// «J. Amer. Ceram. Soc.». -1990. - vol. 73. - # 1 - 2. - p. 335 - 341.

16 Gregory A.G., Veasey T.J. Review: The Crystallisation of Cordierite Glass, Part I, A Review of Glass Crystallisation Theory with Particular Reference to Glass-Ceramics from the Mg0-Al203-Si02 System// «J. Mat. Sci.». - 1971. -#6(10).-p 1312-21

17 Kekaisi E., Kyokaishi V., Sintering and cristallization processes of the glass powder having glass composition// «Journal of Ceramic Assosiation Japan». -1966. - v74. - N 875. - p 325-335

18 Jelacic C.A., Cacjan M.A. Sintetic cordierit made of different raw materials// Proceedings of the 8th Conference of the Silicate indastry. - Budapest, 1966.-p. 759—786.

19 Технология электрокерамики./Под ред Масленниковой Г.Н. - М.: «Энергия», 1974. - 51 с.

20 Каолины Просяновского и Кыштымского месторождений как сырье для синтеза кордиерита/ В.Н. Анциферов, А.В. Евстюнин, С.Е. Порозова.// «Огнеупоры». - 1995. - №7. - с. 27-29.

21 Синтез кордиерита из природных материалов в присутствии А120з-содержащих компонентов/ Зобина Л.Д., Семченко Г.Д., Торнопольская Р.А. и др. // «Огнеупоры». - 1987. - №2 - с 24-27.

22 Gitzen W.H. Alumina as a ceramic material. - The American Ceramic Society Inc., Columbus (OH), 1970. - p 124

23 Павлов В П. Физико-химические основы обжига строительной керамики. - М.: «Стройиздат», 1977. - 239 с.

24 Sai Sundar, Vepa V.S. Effect of substitution of Ca on thermal expantion of cordierite// «J. Amer. Ceram. Soc.». - 1993. - vol. 76. - # 7. - p 1873.

25 Патент CIIIA №5045514, Чиконе Ф.С., Циммерман У. Золь-гель метод получения муллито-кордиеритовых изделий. 03.09.1991

26 Schneider H., Majdic A. Preparation of cordierite powder with low thermal expantion// «Ceramurgia Int.». - 1980. - # 6. - p 31 - 36.

27 Петров З А. Изделия из кордиеритовой керамики. - «Стекло и керамика», 1970, № 9, с. 37

28 Smolinska К. Badania nad uzyskaniem kordieritovich materialow.// «Szklo i Ceramika», 1967, #7, st. 18 - 21.

29 США Патент № 4950628. Кларк Дж. Материал и способы получения кордиеритовой детали с низким КТР. 16.08.1990

30 Smart R.M.,Glasser F.P. Phase relations of cordierit and sapphirin in the system MgO-AI2O3-SÍO2. // J. Mater. Sei. - 1976. - v. 11. - № 8. - p. 1459-1464.

31- Установочная электрокерамика/Светлова И.A., Харитонов Ф.Я., Петрова З.А., Лисаченко Н.Г. - М.: Информэлектро, 1970. - с 33

32 Зобина Л.Д., Семченко Г.Д., Велик Я.Г. Оценка термостойкости новых материалов на основе кордиерита.// «Огнеупоры». - 1986. - №4. - с.2-8

33- Гришаева E.H., Лаврушина Н.С. Новый керамический материал для камер дугогашения// «Электротехническая промышленность». - 1962. -№5.-с 15-17

34 Плющев В.Е. Редкие щелочные элементы.//Доклады II Всесоюзного совещания по редким щелочным элементам/ Новосибирск: «Наука», 1967. -400 е..

35 Туманов С.Г., Масленникова Г.Н. Исследование керамических материалов на основе сподумена// «Труды ГИЭКИ». - 1957. - т. 2. - с. 83-92.

36 Ostertagg W., Fischer G.R., Williams J.P. Thermal expantion of p-spodumene and р-spodumene-silica solid solutions// «J. Amer. Ceram. Soc.». -1968.-vol. 51.-#11.-p. 651.

37 Медведовская Э.И. Исследование процессов синтеза алюмосиликатов лития и получение на их основе термостойкой керамики// Автореф. дис. на соиск. учен, степени канд. техн. наук./ М.: 1968 (МХТИ им. Д.И. Менделеева).

38. Орданьян С.С., Андреев К.П., Степаненко Е.К., О строение системы р-сподумен - кордиерит// ЖПХ. - 1998. - №4. - С. 550-553.

39 Зинько Э.И., Медведовская Э.И., Фомина М.П. Керамические материалы с низким температурным коэффициентом линейного расширения// «Стекло и керамика», 1965. - № 5. - с. 22-24.

40 США Патент № 5320792. By Лин. Способ изготовления спекшегося керамического материала на основе системы L^O-AkCVSiCb. 14.06.1994

41 Stark R.E., Delks В.Н. New lithium ceramics// «Material and Methods».

- 1952.-vol. 35. -#1,. -p. 98.

42 Коган Б.И. Литий, области освоенного и возможного применения// М.: ВИНИТИ, 1960. - с. 96.

43 Костюков Н.С., Выдрик Г.А. Физико-химические основы производства и эксплуатации электрокерамических изделий// М.: «Энергия», 1971.-328 с.

44 Redford С. Ceramics materials used in nuclear energy field// «Ceramics».

- 1960.-#131.-p. 11.

45 Масленникова Т.Н., Харитонов Ф.Я., Дамир Д.А. Новые термостойкие материалы в системе I^O-MgO-AkCb-SiCb // Термостойкая керамика: Сб. - М.: Информэлектро, 1969. - С. 75 - 74.

46 Патент США № 3309208 Arlet R.H., Smoke E.J. Methods for controlling the thermal expantion properties of ceramics. 14.03 .67

47 Масленникова Г.Н. и др. Синтез и свойства эвкрштгито-кордиеритовых масс// «Стекло и керамика», 1980. - №10. - с. 19-20.

48 Dokko Р.С., Pask J.A., High-Tempereture Mechanical Properties of Mullite under Compression.// J. Am. Ceram Soc. - 1997. - V. 60. - N 3-4. - p. 150-155.

49 Schneider H., Okada K., Pask S.H. Mullite and mullite ceramics// Chichester: John Wiley and sons, 1994. - p 192.

50 Барата P.P., Барта И.Р. К вопросу изучения системы А12Оз-8Ю2 // Журн. Прикл. Химии, 1956. - 129. - №3. - с. 341-353.

51 Askay J.A., Dabbs D.M. Sarikaya M. Mullite for Structural, Electronic and Optical Applications.// J. Am. Ceram Soc.-1991. - v.74. - N10. - p.2343-2358.

52 Shepard T.S., Rankin G.A., Wright W. The Binary Systeme of Alumina and Silica Lime and Magnesia //J. Am. Ceram. -1909. - V7. - N4. - p.293-333.

53 Bowen N.L., Greig. J.W. The System Al203-Si02 // Am. Ceram Soc. -1924.-V7.-N4.-p. 238-254.

54 Торопов H.A., ГалаховР.Я. Новые данные о системе Al203-Si02 .// Докл. АН СССР -1951. - т.78 - №2 - с 299-302.

55 Торопов Н.А., Галахов Р.Я. К итогам дискусси по системе А1203-Si02.// Эксперимент в технической минералогии и петрографии. Сб.-М.: Наука, 1966. - с 3-8.

56 Галахов Ф.Я. Характер плавления муллита 3A1203-Si02 // Изв. АН СССР. Неорг. Материалы - 1980. Т 16 - №2 - с. 305.

57 Тресвятский С.Г., Черепанов А.Н. Высокоогнеупорные материалы и изделия из окислов. - М.. Металлургия, 1957. - 246 с.

58 Будников П.П., Полубояринов Д.Н. Химическая технология керамики и огнеупоров. - Н.: Изд. Лит. По строительству, 1972. - 476с.

59 Галахов Ф.Я. Характер плавления муллита 3Al203-2Si02 //Изв. А.Н. СССР. Неорган. Материалы, 1980 г. - Т 16 - №2 - с. 305-308.

60 Aksay J.A., Pask J.A. Stable and Metastable Equilibria in the system Si02-A1203 // Am. Ceram Soc. - 1975 - V.58, - N 11-12, - p 507-512.

61 Hamano K., Sato T., Nakagava Z. Properties of mullite powder prepared by co-precipitation and microstructure of fired bodies// «Yogyo-Kyokasaki». -1986. -#94. -p 818-822

62 Sacks M.D., Pask J.A. Sintering of mullite- containing materials I and II// «J. Am. Ceram. Soc.». - 1982 - #65. - p 65-77

63 Schneider H., Seifert-Kraus U. Microchemistry of refractory-grade bauxites// «Am. Ceram. Soc. Bull.». - 1982. - #61. - p 741-745

64 Chakraborty A.K., Ghosh D.K. Reexamination of kaolinite-to-mullite reaction series// «J Am. Ceram. Soc.». - 1978. - #61 - p 170-173

65 Iwai S., Tagai H., Shimamuni T. Procedure for dickite structure modification by dehydretion// «Acta kristallogr.». -1971 - #B27. - p 248-250

66 SriKrishna K., at al. Kaolinite-mullite reaction series: a TEM study// «J. Mat. Sci.». - 1990. - #25. - p 605-612

67 Leonard A.J. Structural analysis of the transition phases in the kaolinite-mullite thermal sequence// «J. Am. Ceram. Soc.». - 1977. - #60. - p37-43

68 Okada K., Otsuka N., Ossaka J. Characterization of the spinel phase formed formed at the kaolinite-mullite thermal sequence// «J. Am. Ceram. Soc.». -1986. - #69. - p C251-C253

69 Low I.M., McPherson R. The origines of mullite formations// «J.Mater.Sci ». - 1989. - #24. - p 926-936

70 Campos T.W., de Sauza Santos D. Mullite developement from fibrous kaolin mineral// «J. Am. Ceram. Soc.». - 1976. - #59. - p 357-360

71 Chauduri S.P. X-ray study of induced mullitization of clay// «Indian Ceram. Soc. Bull.». - 1969. - #28. - p24

72 Johnson S., Pask J.A. Role of impurities on formation of mullite// «Am. Ceram. Soc. Bull». - 1982. - #61. - p 838-842

73 Lysak S.V., Drizeruk M.E. Effect of gaseous atmosphere on mullitization of alumosilicates// «Neorg. Mater.». - 1977. - #13. - p 1686-1690

74 Галахов A.B., Шевченко В.Я. Влияние условий гелеобразования на фазовые превращения в полимерных алюмосиликатных гелях муллитового состава// «Огнеупоры». -1991. - №1. - с8-И

75 Askay I.A., Wiedersdorn S.M., Report on the conference on mullite ceramics // «J. Am. Ceram. Soc.». -1991. - #10. - p 2341-2357.

76 Орданьян C.C., Андреев К.П., Степаненко E.K., Влияние механоактивации при вибропомоле на спекание и свойства керамики из муллита// ЖПХ. - 1998. - №12. - С. 1978-1982.

77 Kanzaki S., Tabata Н. Sintering and mechanical properties of stoichometric mullite// «J. Am. Ceram. Soc.». - 1985. - #68. - p C6-C7

78 Mah Т., Mazdiyasni K.S. Mechanical properties of mullite // «J. Am. Ceram. Soc.». - 1983. - #66. - p699-703.

79- Kumazava Т., Kanzaki S. Influence of chemical composition on the mechanical properties of mullite containing ceramics// «J. Ceram. Soc. Jpn.». -1988.-#96.-p 85-91.

80 Ohnoshi H., Kavanami Т., Naqkahira A. Microstructure and mechanical properties of mullite ceramics// «J. Ceram. Soc. Jpn.». - 1990. - #98. - p 541-547.

81 Ismail M.G.M.U., Nakai Z. Microsrycture and mechanical properties of mullite ceramics prepaired by sol-gel method // «J. Am. Ceram. Soc.». - 1987. -#70. С 7- 8.

82 Hamano K. et. al. High temperature mechanical properties of mullite prepared from kaoline// Ceramic Society of Japan Conference. - 1991. - paper #3E27. - c. 2345 - 2349.

83 Hanazava T. Ceramics for fraction materials// Tetsu Hagane. - 1987. -#1987. -p 786 -795.

84 ГОСТ 18898-73. Порошковая металлургия. Изделия. Методы определения плотности и пористости. М.: Издательство стандартов, 1988. 5 с.

85 Горелик С.С., Расторгуев Л.Н., Скоков Ю.Н. Рентгенографический и электроннооптический анализ. М.: Металлургия, 1970.368 с.

86 GCPDS. Powder Defraction File.

87 Салтыков С. А. Стереометрическая металлография. М.: Металлургия, 1976. 271 с.

88 Пантелеев И.Б., Орданьян С.С. Колличественный анализ пористости керамических материалов (с применением системы компьютерного анализа Видео Тест)// Учебное пособие. СПб.: Типография СПбГТИ (ТУ), 1997, с. 88.

89 Глаговский Б.А., Московенко И.Б., Славина Т.Я. Исследование физико-механических свойств синтетических высокотвердых материалов акустическим методом. Л.: Труды ВНИИАШ, 1978. с. 47-54.

Синтезированный кордиерит