Структура и свойства новых материалов, получаемых из отходов рабочего цикла генератора водорода тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.09, кандидат технических наук Омаров, Асиф Юсифович

• Омаров, Асиф Юсифович
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Омаров, Асиф Юсифович

Введение.

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1 Выбор материала для получения водорода.

1.2 Генераторы водорода.

1.3 Общие сведения о гидратах оксида алюминия.

1.3.1. Физико-химические особенности получения оксида алюминия по методу Байера.

1.3.2 Технологические аспекты синтеза оксида алюминия.

1.4. Возможные области применения оксида алюминия.

1.5. Применение нанокристаллического бемита.

1.6. Условия для получения тугоплавких соединений.

1.7. Технологии технической керамики.

1.8 Выводы из обзора литературы и постановка задачи.

ГЛАВА 2. ОПИСАНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1 Сканирующий электронный микроскоп.

2.2 Изучение фазового состава частиц осадка.

2.3 Распределение частиц оксида алюминия по размерам.

2.4 Реологические свойства порошков гидроксидов алюминия.

2.5 Определение прочностных свойств спеченных керамик.

2.6. Рентгеновский фазовый анализ.

ГЛАВА 3. СВОЙСТВА ПОРОШКОВ ОКСИДА АЛЮМИНИЯ.

3.1. Тонкая структура порошковых проб № 1, № 2, № 3.

3.2. Рентгеновский фазовый анализ.

3.3. Петрографический анализ.

3.4. Распределение частиц оксида алюминия по размерам.

3.5. Сопоставительный анализ результатов определения размеров частиц гидроксидов алюминия по различным методикам.

3.6. Реологические свойства порошков гидроксидов алюминия и ихнасыпной плотности.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Структура и свойства новых материалов, получаемых из отходов рабочего цикла генератора водорода»

В последние годы во всем мире постоянно возрастает интерес к мобильным энергетическим установкам, в частности к мобильным генераторам водорода [1-4]. Данные генераторы можно использовать не только в пунктах удаленного доступа, но и в автомобилях [5]. Добавляя 5% водорода, можно сэкономить до 40% топлива и в несколько раз сократить вредные выбросы.

В МГИУ в рамках научно исследовательской работы по заказу министерства образования и науки был создан такой генератор, который завоевал медаль на Всероссийской выставки НТТМ 2009. Работа такого генератора сопровождается выделением водорода, значительного количества тепла и выпадением в осадок отхода рабочего цикла - гидроокиси алюминия, получивший названием бемит. Все названные выше процессы происходят благодаря взаимодействию алюминия с водой в присутствии щелочи КаОН.

В связи с уже отмеченной тенденцией роста интереса к подобным установкам становится актуальной проблема их утилизации.

В связи с этим главной целью данной работы явилось изучение возможности утилизации отходов производства водорода, представляющих собой предположительное довольно ценный продукт - бемит.

Актуальность достижения поставленной цели подтверждается аналитическим обзором литературы приведенным ниже.

В работе были поставлены и решены следующие задачи:

1. Изучение структуры, фазового состава и свойств порошков, образующихся в результате взаимодействия алюминия и его сплавов с водным раствором щелочи.

2. Выбор технологии спекания порошков, полученных данным методом;

3. Изучение структуры и свойств керамик, получающихся в результате спекания этих порошков.

4. Оценка перспектив химического диспергирования как самостоятельного технологического подхода для получения порошка гидроксида алюминия с наноразмерными частицами

Научная новизна работы:

• Впервые показано, что взаимодействие алюминия с водными растворами щелочи, изначально применяемое как способ получения водорода, может рассматриваться как оригинальный метод химического диспергирования алюминия для получения порошка гидроксида алюминия с наноразмерными частицами.

• На примере силумина АК7 впервые показано, что химическое диспергирование легированного алюминия является эффективным способом управления структурой и свойствами керамик, получаемых последующим спеканием полученных порошков.

• Показано, что порошки, полученные химическим методом путем разложения технического алюминия и силумина едким натром, относятся к классу тонкодисперсных порошков, содержащих значительную долю частиц наноразмерного диапазона.

• Впервые изучены структура, фазовый состав и технологические свойства наноразмерных порошков, полученных методом химического диспергирования алюминия и силумина АК7 в водном растворе щелочи. Установлено, что средний размер кристаллов внутри агломератов порошка полученного диспергированием силумина выше на порядок, чем у кристаллов, полученных из алюминия.

• Показано, что меньший (в 2 - 4 раза) размер агломератов порошка, полученного диспергированием силумина, объясняется процессом их диспергирования за счет выделения рентгеноаморфной фазы силиката натрия (ТМа28Ю3) по границам растущих кристаллов.

• Определены условия синтеза порошка гидроксида путем разложения силумина щелочью, его термообработки на воздухе с целью получения пресс-порошка и спекания прессовок, обеспечивающие изготовление материала с бимодальным распределением закрытых пор по размерам (0,05 - ОД мкм) и (1 — 10 мкм) вследствие «зонального спекания», характеризующегося сочетанием высокой прочности и термостойкости.

• Показано, что в отличие от контрольных образцов одной из структурообразующих фаз в керамиках из диспергированного силумина является нефелин №А18Ю4, количество которого может достигать 25 вес %. Присутствие этой фазы обуславливает режим жидкофазного спекания и соответственно повышенный уровень служебных свойств.

Практическая ценность работы:

• Предложен альтернативный метод получения порошка гидроксида алюминия с наноразмерными частицами, заключающийся в химическом диспергировании алюминия водным раствором щелочи, не требующий энергетических затрат и простой технологически.

• Предложен способ получения специальной керамики на основе гидроксида алюминия, заключающийся в химическом диспергировании силумина АК7 и последующем спекании полученного порошка. Способ может быть положен в основу создания целой гаммы новых керамик путем целенаправленного легирования алюминия специально подобранными элементами.

• Из порошка химически диспергированного силумина получена керамика с 25% закрытых сферических пор, спеченная при относительно невысокой для корунда температуре (1500°С) с показателями прочности сопоставимыми для плотной корундовой керамики.

• Получена предварительная положительная оценка применимости разработанного материала в качестве элементов защиты для бронежилетов и материала волок для протяжки проволок среднего диаметра.

Структура диссертации

Приведенный в первой главе работы обзор литературных данных позволил сделать вывод о том, что задача повышения механических свойств керамик (упругости, твердости, прочности), теплофизических характеристик и сокращения технологической цепочки остается актуальной на современном этапе развития техники.

Во второй главе работы приводится описание оборудования и методик исследований, проводимых при выполнении данной работы.

В третьей главе работы представлены свойства оксидов алюминия, при этом было изучено 3 вида порошковых проб. Проба 1- осадок гидроксида алюминия, полученный при взаимодействии алюминия с едким натром (Al + NaOH); проба 2 - осадок гидроксида алюминия, полученный при взаимодействии силумина с едким натром (Al/Si + NaOH) - и проба 3 -промышленно производимый гидроксид алюминия, полученный по методу Байера (А1203 • ЗН20 - ГОСТ 11841 - 76, классификация - чда, Донецкий завод хим. реактивов).

В четвертой главе работы представлена технологическая схема изготовления алюмооксидного материала, принятая в данной работе.

В пятой главе работы приведены результаты измерения физико-механических свойства нового материала.

Материалы диссертации докладывались и обсуждались: на научных семинарах кафедры «материаловедение и технологии конструкционных материалов» ГОУ МГИУ, международной научно-практической конференции ЮНЕСКО «Участие молодых ученых, инженеров и педагогов в разработке и реализации инновационных технологий» Москва, 2009, экспонировались на Всероссийской выставке НТТМ-2009.

Заключение диссертации по теме «Материаловедение (по отраслям)», Омаров, Асиф Юсифович

Общие выводы по диссертации

1. Впервые показано, что взаимодействие алюминия с водными растворами щелочи, изначально применяемое как способ получения водорода, может рассматриваться как оригинальный метод химического диспергирования алюминия для получения порошка гидроксида алюминия с наноразмерными частицами

2. На примере силумина АК7 впервые показано, что химическое диспергирование легированного алюминия является эффективным способом управления структурой и свойствами керамик, получаемых последующим спеканием полученных порошков.

3. Показано, что порошки, полученные химическим методом, путем разложения технического алюминия и силумина едким натром, относятся к классу тонкодисперсных порошков, содержащих значительную долю частиц наноразмерного диапазона.

4. Впервые изучены структура, фазовый состав и технологические свойства наноразмерных порошков, полученных методом химического диспергирования алюминия и силумина АК7 в водном растворе щелочи. Установлено, что средний размер кристаллов внутри агломератов порошка полученного диспергированием силумина выше на порядок, чем у кристаллов, полученных из алюминия.

5. Показано, что меньший (в 2 - 4 раза) размер агломератов порошка, полученного диспергированием силумина объясняется процессом их диспергирования за счет выделения рентгеноаморфной фазы силиката натрия (ТЯагЗЮз) по границам растущих кристаллов.

6. Показано, что образцы керамики, спеченные из химически диспергированных алюминия и силумина АК7 намного превосходят таковые из порошков А1(ОН)3, чда, промышленного производства. В свою очередь, свойства образцов керамики из силумина от 5 до 30 раз выше соответствующих свойств керамики из диспергированного алюминия.

7. Предложен альтернативный метод получения порошка гидроксида алюминия с наноразмерными частицами, заключающийся в химическом диспергирования алюминия водным раствором щелочи

8. Предложен способ получения специальной керамики на основе гидроксида алюминия, заключающийся в химическом диспергировании силумина АК7 и последующем спекании полученного порошка. Способ может быть положен в основу создания целой гаммы новых керамик путем целенаправленного легирования алюминия специально подобранными элементами.

9. Из порошка химически диспергированного силу мина получена керамика с 25% закрытых сферических пор, спеченная при относительно невысокой для корунда температуре (1500°С) с показателями прочности сопоставимыми для плотной корундовой керамики.

Ю.Получена положительная оценка применимости разработанного материала в качестве элементов защиты для бронежилетов и материала волок для протяжки проволок среднего диаметра.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Омаров, Асиф Юсифович, 2010 год

1. Смольский Б.М., Пашина Н.М. Водород: основные свойства, производство и хранение. Препринт № 11, АНБССР, ИТ им. A.B. Лыкова, Минск, 1981.

2. Генератор водорода и способ его эксплуатации /И.Н. Глухих, В.Ф. Че-ляев, А.Н. Щербаков. Патент РФ №2258669, МПК С 01 В 3/08. Опубл. 2005, Бюл. № 23.

3. Генератор водорода / И.Н. Глухих. Патент РФ №226157, МПК С 01 В 3/08. Опубл. 2005, Бюл. № 35.

4. Д.И. Менделеев. Основы химии, ГНТИ, M.-JL, том I, 10-е издание.7. http ://www.rit.informost.m/rit/3-2005/58.pdf

5. Новая керамика // под ред. П.П. Будникова,- М.: Изд-во лит-ры по строительству. 1969. 311 с.

6. Бутт Ю.М., Дудеров Г.Н., Матвеев М.А. Общая технология силикатов. — М.: Промстройиздат. 1950. 592 с.

7. Технология керамики и огнеупоров // под ред. П.П. Будникова. М.: Гос. изд-во лит-ры по стройматериалам 1954. 699 с.

8. Балкевич B.JI. Техническая керамика. М.: Стройиздат. 1984. 256 с.

9. Павлушкин Н.М. Спеченный корунд. М.: Гос. изд-во лит-ры по строительству, архитектуре и стройматериалам. 1961. 209 с.

10. Керамика из высокоогнеупорных окислов // под ред. Д.Н. Полубояринова и Р.Я. Попильского. М.: Металлургия. 1977. 304 с.

11. Тресвятский С.Г., Черепанов А.М. Высокоогнеупорные материалы и изделия из окислов. М.: Металургиздат. 1957. 250 с.

12. Гаршин А.П., Гропянов В.М., Зайцев Г.П., Семенов С.С. Машиностроительная керамика. — Санкт-Петербург: Изд-во СПбГГУ. 1997. 726 с.

13. Балкевич B.JI. Техническая керамика. — М.: Изд-во лит-ры по строительству. 1968. 200 с.

14. Абрамсон И.Д. Керамика для авиационных изделий. М.: Оборонгиз. 1963.240 с.

15. Химическая технология керамики // под ред. И.Я. Гузмана. М.: ООО РИФ Стройматериалы. 2003. 493 с.

16. Металловедение алюминия и его сплавов: (справочник) под ред. И.Н. Фридляндера. // М.: Металлургия. 1983. 279 с.

17. Дж. Садуорс, А. Тилли. Сернонатриевые аккумуляторы. М.: Мир. 1988. 672 с.

18. Интенет-сайт http ://accumul.ru.

19. Бакун O.B., Григорьев О.Н., Картузов В.В., Трефилов В.И. Разрушение гетерофазных поликристаллов на основе плотных модификаций нитрида бора//ДАН СССР. 1986. Т. 288, №6. С. 1351-1353.

20. Бочко А.Б., Григорьев О.Н., Джамаров С.С. и др. Влияние структурных факторов на пластические и прочностные свойства материалов на основе нитрида бора // Порошковая металлургия. 1980. № 5. С. 96-103

21. Rhodes W.H. Agglomerate and particle size effects on sintering yttriastabilized zirconia// Ibid/.1981. Vol. 6, N 3. P 19-22

22. Самсонов Г.В. неметаллургические нитриды. M.: металлургия, 196. 264 с.

23. Galakchov A.V. Shevchenko V.Ya. Influnce of pore structure inhomogeneities in green compact on strength and reliability of Y-TZP // J. Europ. Ceram. Soc. 1990. VOL. 6, N 3. P. 317-322.

24. Шевченко В.Я., Баринов С.М. Техническая керамика. М.: Наука, 1993. 187 с. С. 24-28

25. Ocamura К. Ceramic fibers from polymer precursors // Composites. 1987. Vol. 18, N2. P. 107-120.

26. Frinc M., Celikkaya A. Preparathion of yttria powders by emulsion precipitation// Advances in ceramics. Westerville: Am. Ceram. Soc., 1986. Vol. 21. P. 57-67

27. Паничкина B.B. Возможности использования дисперсных порошков для получения спеченных высокоплотных изделий // Журн. Всесоюз. Хим. О-ва. Им. Д.И. Менделеева. 1991. Т. 36, № 2. С. 42-45

28. Ковальченко М.С. Теоретические основы горячей обработки пористых, материалов давлением. Киев: наук. Думка, 1980. 240 с.

29. Дорофеев Ю.Г. Динамическое горячее прессование в металлокерамике. М.: металлургия, 1972. 176 с.

30. Витязь П.А., Ждаиович Г.М!, Роман О.В. Импульсное прессование металлических порошков // прогрессивные методы изготовления металлокерамических изделий. Минск: Полымя, 1972. С. 89-96.

31. Красулин Ю.Л., Баринов С.М., Иванов B.C., Карелин Ф.Р. О соединении порошков при термопластической деформации // ДАН СССР. 1986. Т. 291, № 6. С. 1355-1358.

32. Попильский Р.Я., Пивинский Ю.Е. Прессование порошковых керамических масс. М.: Металлургия, 1983. 176 с.

33. Андреевский P.A. Введение в порошковую металлургию. Фрумзе: Илин, 1988. 174 с.

34. Горелик С.С., Скаков Ю.А., Расторгуев JI.H. Рентгенографический и электронно-оптический анализ, М.: изд-во МИСиС, 1994, 328 с.

35. А.Н. Винчелл, Г.Винчелл. Оптические свойства искусственных минералов пер. с англ., М.: Мир, 1967, 526 с.

36. Митин Б.С., Трифонова H.A., Фомина Г.А., Луцкая Е.Э. Методы исследования структуры и свойств порошковых материалов на основе керамики и металлов, учебное пособие МВиССО РСФСР, М.: МАТИ им. К.Э. Циолковского, 1989, 79 с.

37. Andrei S. Dukhin and Philip J. Goetz. Ultrasound for characterizing colloids. Particle sizing, zeta potential, rheology. ELSEVIER, 2002, 372 p.

38. Практикум по технологии керамики. — под ред. проф. И.Я. Гузмана, М.: ООО РИФ «Стройматериалы», 2005, 336 с.

39. Fritsch. Brief introduction to laser particle size measurement (руководство пользователя).

40. Буланов В.Я., Кватер Л.И., Долгаль Т.В. Угольникова Т.А., Акименко В.Б. Диагностика металлических порошков. М.: Наука, 1983, 278 с.

41. Рыжонков Д. И., Левина В.В., Дзидзигури Э.Л. Наноматериалы, М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008, 365 с.

42. Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии, М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007, 416 с.

43. Баринов С.М., Шевченко В .Я. Прочность технической керамики. М.: Наука, 1996,159 с.

44. Казакявичус К., Янулявичус А. Закономерности термического разрушения призматических тел. Вильнюс: Мокслас, 1981, 164 с.

45. Патент РФ № 2209796, С04В 35/00, (бюл. № 22 от 10.08.2003). Ситников А.И., Иванов Д.А., Шляпин С.Д. Устройство для испытания на термостойкость конструкционной керамики. Ситников А.И., Иванов Д.А., Шляпин С.Д.

46. Иванов Д.А., Ситников А.И. Особенности разрушения керамических материалов при термическом нагружении методом локального термоудара. Огнеупоры и техническая керамика, № 12, 2004, с. 30 35.

47. Лукин Е.С., Андрианов Н.Т. Технический анализ и контроль производства керамики, М.: Стройиздат, 1986, 272 с.

48. Беляков А.В. Технология машиностроительной керамики. Итоги науки и техники, ВИНИТИ, 1988, т. 1, с. 3 71.

49. Lange F.F. Transformation toughening. 1. Size effects associated with the thermodynamics of constrained transformation // J. Mater. Sci. 1982. Vol. 17, N 1. P, 225-234.

50. Andrei S. Dukliin and Philip J. Goetz. Ultrasound for characterizing colloids. Particle sizing, zeta potential, rheology. ELSEVIER, 2002, 372 p

51. Практикум по технологии керамики. под ред. проф. И.Я. Гузмана, М.: ООО РИФ «Стройматериалы», 2005, 336 с.

52. Fritsch. Brief introduction to laser particle size measurement (руководство пользователя).

53. Rhodes W.H., Natanson J. Powders for advanced structural ceramics // Ceram. Bull. 1989. Vol. 68, N 10. P. 1804-1812

54. Красулин Ю.Л., Баринов C.M., Иванов B.C. Структура и разрушение^ материалов из порошков тугоплавких соединений. М.: Наука, 1985, 148 с.

55. Левин Б.Е., Третьяков Ю.Д., Ле-тюк Ю.М. Физико-химические основы получения, свойства и применение ферритов. М.: Металлургия, 1972.128 с.

56. Лукин Е.С., Андрианов Н.Т. Технический анализ и контроль производства керамики. М.: Стройиздат, 1986, 272 с.

57. Золоторевский B.C. Механические испытания и свойства металлов. М.: Металлургия, 1974, 302 с.

58. Эванс А.Г., Лэнгдон Т.Г. Конструкционная керамика. М.: Металлургия , 1980, 256 с.

59. Tonshoff Н.К., Denkena В. Wear of ceramic tools in milling // Lubric. Eng. 1991. Vol. 47, N 9. P. 772-778.

60. Wallbank J., Ezugwu E. Wear of ceramic tools when machining cast iron // Adv. Mater, and Manufact. Proces. 1988. Vol. 3, N 3. P. 447-468.

61. McClintock FA. Statistics of brittle fracture // Fract. mechanics of ceramics. N.Y.; L.: Plenum, 1974. Vol. I. P.93-116.

62. Галахов A.B., Вязов И.В., Шевченко В .Я. Компактирование и спекание агломерированных ультрадисперсных порошков // Там же. 1989. №9. С. 1216.

63. Андриевский Р.А, Прочность спеченных тел // Порошковая металлургия. 1982. № 1.С 37-42.

64. Davis R.F., Carter CM.(Jr.), Lane J.E. Deformation behavior of silicon carbide at elevated temperatures: A review // Ceram. mater, and components for engines. Lubeck: DKG, 1986. P. 675-682.

65. Павлушкин H.M. Спеченный корунд. M.: Госстройиздат, 1961.210 с.

66. Faber К.Т., Evans A.G., Drory M.D. Crack deflection as a toughening mechanism //Fracture mechanics of ceramics. N.Y.: Plenum, 1986. Vol. 6. P. 77-91

67. Cook R.F, Lawn B.R., Fairbanks С J. Micro structure-strength properties in ceramics: I. Effect of crack size on toughness // J. Am. Ceram. Soc. 1985. Vol. 68, N 11. P. 604-615

68. Митин B.C., Фомина Г.А., Иванов Д.А. Разрушение композиционных керамических материалов учебное пособие. М.: МАТИ, 1989, 75 с.

69. Степин П.А. Сопротивление материалов. М.: Интеграл пресс, 1997, 319 с.

70. Дудин В.В., Городнев A.JL, Скидан Б.С., Фомина Г.А., Шепилов И.П., Иванов А.А. К определению ударной вязкости хрупких материалов. Заводская лаборатория, № 7, 1974, с. 876 879.

71. Hayashi К, Tatewaki Y., Ozaki S., Nishikawa Т. Grain size dependence of fracture energy of brittle materials // J. Ceram. Soc. Jap. 1988. Vol. 96,,N5. P. 532538.

72. Safari M., Inagaki M. Dimensionless load-displancement relation and its application to crack propagation problem // J. Am. Ceram. Soc. 1989. Vol. 72, N 3. P. 388-394.

73. Маркочев B.M., Морозов EM. Работа разрушения и работа пластической деформации в испытаниях на вязкость разрушения // ФХММ. 1978. №6. С 7174.

74. Эванс А.Г., Хьюр А., Портер Д. Трещиностойкость керамик // Механика разрушения: Разрушение материалов / Под ред. Д. Тэплина. М.: Мир, 1979. Вып. 17. С 134-164.

75. Маркочев В.М., Морозов Е.М. Энергетические соотношения при деформировании образца с трещиной // Пробл. прочности. 1980. № 5. С 66-70.

76. Гегузин Я.Е. Физика спекания, М.: Наука, 1984, 312 с.

77. Phillips D.C. Ceramic composites: their current status and some requirements for future development // Compos. Sci. and Technol. 1991. Vol. 40, N l.P. 1-17.

78. Claussen N., Swain M. V. Silicon carbide whisker reinforced and zir-conia transformation toughened ceramics // Mater. Forum. 1988. Vol. 11. P. 194-201.

79. Тихонов A.C Эффект сверхпластичности металлов и сплавов. М.: Наука, 1978. 142 с

80. Заболотский А.А. Композиционные материалы с металлической матрицей // Новости науки и техники. Новые материалы, технологии их производства и обработки. Материалы для машиностроения. М.: ВИНИТИ, 1989. Вып. 11. С 1-30.

81. Викулин В.В., Лещук Т.В. Материалы на основе химически упрочненного карбида кремния // Там же. №10. С 8-11.

82. Washburn М.Е., Coblenz W.S. Reaction-formed ceramics // Am. Ceram. Soc. Bull. 1988. Vol. 67, N 2. P. 356-363.

83. Wiederhorn S.M., Fuller E.R. Design criteria for high temperature structural applications // Ceram. mater, and components for engines. Lubeck: DKG, 1986. P. 911-930.

84. Grateau L., Lob N, Parlier M. Microstructural studies of ceramic composites obtained by chemical vapour phase infiltration // Sci Ceram, 14. Canterbury: Elsevier, 1988. P. 885-889.

85. Stinton D.R., Caputo A.J., Low-den R.A. Synthesis of fibrereinfor-ced SiC composites by chemical vapour infiltration // Am. Ceram. Soc. Bull. 1986. Vol. 65, N 2. P. 347-350.