Сотовые и волокнистые оксидные керамические изделия, получаемые окислительным конструированием тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.11, кандидат технических наук Чернявский, Андрей Станиславович

• Чернявский, Андрей Станиславович
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Чернявский, Андрей Станиславович

Введение.

I. Литературный обзор.

1.1 Существующие типы керамических материалов и области их применения.

1.2 Способы получения изделий из оксидной керамики.

1.3.1 Окисление титана на воздухе и в кислороде.

II Экспериментальные методики.

2.1 Технические характеристики и виды материалов, использумых для создания металлических преформ.

2.2. Изготовление преформ.

2.2:1. Подготовка материалов.

2.2.2. Изготовление цилиндрических преформ.

2.2.3 Изготовление преформ эллиптического сечения.

2.2.4 Изготовление кубических преформ с параллельными и перпедикулярными каналами.

2.2.5 Изготовление преформ с пересекающимися каналами.

2.2.6. Изготовление плоских волокнистых фильтров.

2.2.7. Изготовление волокнистых цилиндрических (круглых) фильтров.

2.2.8 Изготовление образцов из А1 и Ti войлока.

2.3 Приборный парк окисления.

2.3.1 Процессы окисления преформ до 1150°С проводили в печах с нагревателями из нихрома, или сплава kantal.

2.3.2 Процессы окисления при температуре от 1150 до 1400°С.

2.3.3. Процессы окисления при температуре от 1400 до 1750°С.

2.4. Методы исследования.

2.4.1. Определение площади удельной поверхности порошка.

2.4.2. Определение кажущейся плотности и открытой пористости керамики.

2.4.3. Определение механических характеристик керамики.

2.4.4. Рентгенографические исследования.

2.4.5. Сканирующая электронная микроскопия.

2.4.6. Инфракрасная (ИК) спектроскопия образцов и конденсата паровой фазы.

2.4.7. Просвечивающая электронная микроскопия.

2.4.8. Электронография.

2.4.9. Определение микротвердости керамических образцов.

2.4.10. Элементный анализ.

2.4.11. Термогравиметрический анализ.

2.4.12. Определение газовой проницаемости фильтров.

III Экспериментальная часть.

3. Получение изделий из железа, титана, никеля и меди.

3.1 Изделия из металлической фольги.

3.1.1 Влияние атмосферы на получение изделий из металлической фольги.

3.1.2. Изменение геометрических параметров окисляемых лент.

3.1.3 Оценка динамики окисления толстостенных образцов.

3.1.4. Изучение взаимодействия лент и гофр с оксидами металлов и водой.

3.1.5 Механические свойства полученных сотовых структур.

3.1.6 Термоциклирование образцов из металлических лент.

3.1.7. Петрографический анализ.

3.2 Изделия из металлического войлока.

3.2.1 Матики из металлического войлока.

3.2.2. Изучение взаимодействия войлоков металлов с оксидами металлов.

3.2.3 Изучение взаимодействия металлического войлока с фольгой инертных металлов.

3.2.4. Изучение свойств керамических фильтров.

3.2.4.1. Изучение газовой проницаемости окисленных металлических сеток.

3.2.4.2.Получение и изучение свойств комбинированных фильтров.

3.2.4.3 Плоские фильтры.

3.2.4.4. Цилиндрические фильтры.

3.2.4.5. Армированные фильтры.

3.2.5 Исследование полученных материалов на СЭМ и РФА.

3.3 Получение керамических изделий окислением преформы выше температуры плавления металла.

3.3.1 Изучение процесса стекания в преформах из фольги и войлока.

3.3.2 Изучение взаимодействия алюминиевого войлока с фракциями оксида алюминия.

3.3.3 Изучение процесса окисления алюминиевого войлока.

3.3.4 Свойства фильтров и фильтрующих элементов, полученных окислением алюминиевого войлока.

3.3.5. Изучение фазового состава волокон.

3.3.6 Особенности ОКТК для алюминия.

3.4. Результаты испытаний изделий из ОКТК-керамики и блок-схема процесса окислительного конструирования.

IV. Обсуждение результатов.

V. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Сотовые и волокнистые оксидные керамические изделия, получаемые окислительным конструированием»

Научные достижения последних десятилетий привели к созданию новых функциональных и конструкционных материалов со специальными свойствами. Особое место в ряду перспективных материалов занимает техническая керамика, что обусловлено уникальностью ее физических и химических свойств [1,2]. Неметаллические тугоплавкие и инертные соединения, являющиеся исходными компонентами технической керамики, обуславливают высокую термодинамическую стабильность, инертность к воздействиям агрессивных химических средств, высокие показатели механических свойств (упругость, твердость, прочность). Возможность получать керамические материалы с заданными механическими, диэлектрическими, оптическими, три-бологическими, теплофизическими и др. свойствами позволяет технической керамике считаться самостоятельным классом материалов и находит применение во всех областях техники и промышленности таких как энергетика, электроника, металлургия, химическое машиностроение и автомобилестроение [2].

Развитие этих и других областей науки и техники вызвало необходимость в получении новых конструкционных изделий с высокими и разнообразными свойствами. Эти изделия должны обладать высокой огнеупорностью, химической стойкостью к воздействию расплавленных металлов в среде различных газов и в вакууме, высокими механическими свойствами при температурах службы, термостойкостью. В зависимости от назначения в керамических изделиях ценятся цвет, просвечиваемость, отсутствие открытой пористости, прочность, термостойкость (особенно для кварцевой керамики), устойчивость к химическим воздействиям, диэлектрические показатели, низкое водопоглощение, плотность, коэффициент термического расширения (для кордиеритовой керамики), пьезоэлектрические свойства (для ВаТЮз и других титанатов), магнитные (для ферритов) и сверхпроводящие свойства. [3] Получение заданных свойств изделий достигается подбором сырьевых материалов, добавок и особенностями технологии, поэтому задачи технической петрологии специфичны для каждого вида керамики. В связи с этим особый интерес для новых областей техники во многом представляет керамика из чистых высокоогнеупорных окислов: А12Оз, ВеО, СаО, Ре203, №0, СиО, Т1О2 и некоторые другие оксидные материалы [3].

I. Литературный обзор.

Заключение диссертации по теме «Технология силикатных и тугоплавких неметаллических материалов», Чернявский, Андрей Станиславович

V. Выводы.

1. Предложен новый способ создания тонкостенных керамических изделий различных дизайнов и форм, базирующийся на одностадийном процессе окисления металлических преформ. Установлены основные параметры (температура, время, состав атмосферы) процессов окисления, влияющие на химические и прочностные свойства получаемых керамических изделий.

2. Показано, что необходимым условием полного окисления исходной преформы является наличие существенно меньшего их размера в одном или двух измерениях. Экспериментально доказано, что выбор элементов преформы позволяет проводить процесс окисления даже для металлов, температура плавления которых ниже температуры их окисления.

3. Установлено, что для получения плотной низкопористой оксидной керамики ко всем фрагментам преформы должен быть обеспечен свободный доступ кислорода таким образом, чтобы процесс окисления протекал в одну стадию при непрерывном росте решетки. При этом, количество окислителя, подаваемого к преформе, должно быть достаточным для обеспечения баланса двух механизмов.

4. Показана возможность получения трехмерного керамического монолита сложной формы из металлической преформы, состоящей из набора фрагментов.

5. Выявлен характерней признак окислительного конструирования: керамика или ее фрагменты всегда имеют внутреннюю полость. Экспериментально подтверждено, что анизотропия формы полости соответствует анизотропии формы фрагментов металлической преформы.

6. Созданы образцы керамических изделий сложных форм: войлочные фильтры, сотовые керамические структуры со скошенными каналами, керамические теплообменники и т.д., изготовление которых невозможно традиционными способами.

7. Проведенные исследования технологических, прочностных, коррозионных свойств полученных материалов и изделий из них показали, что полученные с помощью окислительного конструирования керамические изделия могут быть использованы для установок высокотемпературной дезодорации газов (блоки с пересекающимися каналами), для фильтрации частиц в отходящих раскаленных газах (керамические войлочные фильтры), нейтрализации выхлопных газов автомобилей (блоки с количеством 900 отверстий на кв. дюйм).

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Чернявский, Андрей Станиславович, 2011 год

1. Техническая керамика / В.Я.Шевченко, С.М.Баринов. М.: Наука, 1993. 187 е.- ISBN 5-02-001645-4

2. Балкевич B.JI. Техническая керамика. М.: Стройиздат, 1968. 200с.

3. Кингери УД. Введение в керамику. М.: Металлургия, 1964, 534 с.

4. Практикум по технологии керамики и огнеупоров / Под ред. Д.Н. По-лубояринова и Р.Я. Попильского. М.: Стройиздат, 1972.

5. Майдукова Т.П. Окись алюминия// Энциклопедия неорганических материалов. Киев: Гл.ред.Укр. сов. энциклопедии, 1977. Т. 2. С. 105-106.

6. Методы исследования и контроля в производстве фарфора и фаянса / Под ред. А.И. Августинника и И.Я. Юрчака. М.:Легкая индустрия, 1971.

7. Химическая технология керамики / Под ред. И.Я. Гузмана. М.: ООО РИФ «Стройматериалы», 2003.

8. Morrel R. Handbook of properties of technical and engineering ceramics. Norvich: HMSO, 1985. Pt. 1. 250p.

9. D. W.Freitag and D. W.Richerson, "Opportunities for Advanced Ceramics to Meet the Needs of the Industries of the Future", US АСА Publication DOE/ORO 2076, December 1998.

10. A.R.Bunzel, M.H.Berger, J. Europ. Ceram. Soc., 20 (2000) 2249

11. Лукин E.C., Андрианов H.T. Технический анализ и контроль производства керамики. М.: Стройиздат, 1986.

12. Бакунов B.C., Балкевич B.JI., Власов А.С. и др. Керамика из высокоогнеупорных окислов. М.: Металлургия, 1977. 304 с.

13. Горшков B.C., Савельев В.Г., Федоров Н.Ф. Физическая химия силикатов и других тугоплавких соединений. М.: Высш. шк., 1988. 400 с.

14. Штефан Г.Е. Технология строительной керамики. — Липецк. ЛГТУ, 2005.

15. Канаев В.К. Новая технология строительной керамики. М.: Стройиз-дат, 1990.

16. Е.Н. Граменицкий, А.Р. Котельников, A.M. Батанова, Т.И. Щекина, П.Ю. Плечов. Экспериментальная и техническая петрология. М.: Научный мир, 2000.-416 с.

17. Кошляк JI.JI. Производство изделий строительной керамики. М.:1. Высш. шк., 1990.

18. Августиник А.И. Керамика. Изд. 2-е, перераб. и доп. Л., Стройиздат (Ленингр. отд-ние), 1975, 592 с. ил.

19. Nieh T.G., Wadsworth J., Wakai F. Recent advances in superplastic ceramics and ceramic composites // Int. Mater. Rev. 1991. Vol. 36, N 4. P. 146-161.

20. Katsuaki Suganuma and Kenji Nagamoto. Fabrication of A1203 fiber preform with AI2O3 powder binder for 6061 alloy matrix composites. Materials Science and Engineering, A 188 (1994) 353-359.

21. Kagawa M., Honda F., Onodera H., Nagae T. The formation of ultrafine AI2O3, Zr02, and Fe203 by spry-ICP tecknique // Mater. Res. Bull. 1983. Vol. 18, N11. P. 1081-1087,

22. Ivanov S. V., Vinnitsky D.M., Solntsev K.A., Kuznetsov N.T. Development of Boron containg ceramic materials in the Soviet Union. Proceeding of Korea -USSR Joint symposium on ceramics 91 seel, Korea, 1991.

23. Okamura K. Ceramics fibres from polymer precursors // Composites. 1987. Vol.18, N2. P. 107-120.

24. Rhodes W.H. Agglomerate and particle size effects on sintering yttria-stabilized zirconia //Ibid. 1981. Vol. 64, N 1. P. 19-22.

25. Левин Б.Е., Третьяков Ю.Д., Летюк Ю.М. Физико-химические основы получения, свойства и применение ферритов. М.: Металлургия, 1972. 128 с.

26. Мержанов А.Г. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез // Физическая химия: Современные проблемы. М.: Химия, 1983. С.9-21.

27. Мержанов А.Г., Нересеян М.Д. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез оксидных материалов // Журн.Всесоюз. хим. о-ва им. Д.И. Менделеева. 1990. Т. 35, № 6. С.700-707.

28. Munir Z.A. Synthesis of high temperature materials by self-propagating combation methods // Am. Ceram. Soc. Bull. 1988. Vol.67, N 2. P.342-349.

29. Glasston S., Laidler K.J., Eyring H. «Theory of Rate Processes.» MeGraw Hill., 1941, N.Y.

30. Hurlen T. Acta Chem. Scand., 1959, v.13, №4, p. 695.

31. Хауффе К. Реакции в твердых телах и на их поверхности. ИЛ, т. 1, 1961, т. 2, 1963.

32. Бай А.С., Лайнер Д.И., Слесарева Е.Н., Цыпин М.И. Окисление титана и его сплавов. И.Мет., М. 1970.

33. Кофстад П, Высокотемпературное окисление металлов, М., Мир, 1969, 392 с.

34. KofstadP., Haujfe К., Kjollesdal Я Acta Chem. Scand., 1958, v. 12, p.239.

35. Hurln TJ. Inst. Metals, 1960, v.5, № 16, p.42.

36. Лайнер Д.И., Цыпин М.И. В сб. «Металловедение и обработка цветныхметаллов и сплавов», вып.20. Металлургиздат, 1961, с.42.

37. Jenkins А.Е. J Inst. Metals, 1955 1956, v. 84, № 10, p. 1.

38. Jenkins А.Е. J. Inst. Metals, 1954, v. 82, № 5, p. 213.

39. Wallwork G., Jenkins A. J. Electrochem. Soc., 1959, v. 106, № 1, p. 10.

40. Архаров В.И, Лучкин Г.П., ДАН СССР, 1952, т. 88, № 6, с. 837.

41. Архаров В.И., Лучкин ГЛ., Труды ИФМ, УФАН СССР, вып. 16, Изд -во АН СССР, 1955, с. 101.

42. Gulbransn Е.А. Advances in Catalysis, 1953, v. 5, p. 143.

43. Pfeiffer Я, Hauffe K.Z. Metallkunde, 1952, Bd. 43, № 10, S. 364.

44. Архаров В.И., Бланкова Н.Б. ФММ, 1960, т. 9, № 6, с. 878.

45. Кубашевский О., Гопкинс Б. Окисление металлов и сплавов. Изд-во «Металлургия», 1965.

46. Лайнер Д.И., Бай А.С. Изв. АН СССР, Металлургия и горное дело, 1963, №5, с. 145.

47. Лайнер Д.И., Бай А.С., Цыпин ММ, ФММ, 1963, т. 16, в. 2, с. 225.

48. Лайнер Д.И., Бай А.С. В сб. «Металловедение и обработка цветных металлов и сплавов», вып. 24, Металлургиздат, 1965, с. 96.

49. Лайнер ДИ. и др. ФММ, 1966, т. 21, в. 5, с. 713.

50. Haul R., Dumbgen G.J. Phys. Chem. Solids, 1965, v. 26, № 1, p. 1.51/ Haul R., Dumbgen G.J. Electrochem., 1962, Bd 66, №8/9, S. 636.

51. Grandena A.N., Honig J.M. J. Phys. Chem., 1959, v. 69, № 4, p. 620.

52. Ревякин A.B. В сб. «Титан и его сплавы». ИМЕТ им. Байкова, вып. 8, Изд. АН СССР, 1962, с. 175.

53. Эванс Ю.Р. Коррозия и окисление металлов. Машгиз, 1962.

54. Корнилов И.И. Химическая наука и промышленность. 1958, т. 3, № 6, с. 803.

55. Корнилов И.И. Титан, Изд-во «Наука», М., 1975

56. Безопасность производства и труда на химических предприятиях /И.А. Роздин, Е.И.Хабарова, О.Н. Вареник. — М.: Химия, КолосС, 2006.-254 е.: ил. — (Учебники и учебн. пособия для студентов высш. учеб. заведений).

57. Вредные вещества в промышленности. Справочник для химиков, инженеров и врачей. Н.В.Лазарев. JL: «Химия», 1976, с. 1824 с.

58. Nagel М.С. Is Your Lab Really Free From Asbestos? Journal of Chemical Education, 1988, Vol. 65, № 3i

59. Air Quality Guidelines for Europe, 2nd Ed. WHO Regional Publications, European Series, № 91, 2000

60. Власов А.С., Дрогин В.Н., Ефимовская Т.В. Лабораторный практику по микроскопическим и рентгеновским исследованиям керамики. М.: МХТИ, 1980. 64 с.

61. Полубаяринов Д.Н., Попильский Р.Я Практикум по технологии керамики и огнеупоров. М.: Изд-во литературы по строительству, 1972. 345 с.

62. Feltrin A., Guido М, Nunziante Cesaro S. Fourier Transform Infrared matrix isolated study of gaseous cerium dicarbide species // J. Phys. Chem. 1992. V.97. P.8986-8990.

63. Leroy G.E., Ewing G.E., Pimentel G.C. Infrared spectra of carbon monoxide in argon matrices // J. Chem. Phys. 1964. V.40. P.2298-2303.

64. Новые керамические материалы на основе оксидов железа как керамическая основа в автомобильных конверторах. Отчет, ч 1, г. Москва 1994.1.

65. Патенты США № 5 786 296, 5 814 164, 6 045 628, 6 071 590, 6 051 203, 6 077 370.

66. K.A. Солнцев, E. Шусторович, Ю.А. Буслаев, Доклады Российской Академии Наук (Химия), т. 378, № 4 (2001), с. 492-499.

67. Е. Shustorovich, K.A. Solntsev and V. Shustorovich, SAE Paper No. 200101-0931.

68. J.A. Kuszyk, C. R. Kennedy, патент США № 5 215 666

69. D.H.L. Ng, Q. Zhao, C. Qin, M. Ho, Y. Hong. J. Europ. Ceram. Soc., 21 (2001) 1049.

70. EMITEC. Comparation of physical and technical data for catalystsupport made from metal foils, cordierite and hematite/magnetite (ASMT process).

71. EMITEC. Microscopic Investigation of ASMT Part after Hot Shake.75. 3M COMPANY Proprietary Hematite and Magnetite Process and Products. Canning Results, Hot Shake Results, Wash Coat Results March 13, 1995

72. American Scientific Materials Tecnology. Proprietary Products. October 1996.