Композиционные керамические материалы на основе грубозернистого техногенного наполнителя - Диссертация

Основными факторами, определяющими формирование физико-механических свойств композитов являются [1]: - пространственный характер расположения отдельных элементов (зерен), составляющих композит; фракционный состав наполнителя, обеспечивающий формирование плотноупакованной системы зерен наполнителя в композите. Формирование структуры композита зависит, во многом, от соотношения прочностных свойств матрицы и наполнителя, от количественного содержания наполнителя и его дисперсности [2]. Значительное количество работ посвящено вопросам моделирования структуры керамического композиционного материала по типу «ядро-оболочка», в котором зерна ядра образуют армирующий каркас, прочно связанный оболочкой матрицы [5]. Однако, следует отметить, что недостаточная изученность закономерностей упаковки частиц в полидисперсных системах наполнителя керамического композиционного материала, в том числе грубозернистого состава, во взаимосвязи с содержанием и размерами матричного силикатного материала, не позволяет произвести оптимизацию структуры и свойств композиций с целью направленного регулирования макро-и микроструктуры композита, а также свойств керамических композиционных материалов.В композициях, упрочненных частицами, размер последних превышает 1 мкм. Если напряжение в частицах превышает напряжение течения матрицы (обычно, примерно в 3-3,5 раза), то разрушение композита начинается с появления трещин в частицах, затем оно распространяется по матрице [15,16]. К ним в первую очередь, относят беtrialговые материалы на основе вяжущих веществ в сочетании с дисперсными заполнителями: бетоны, ячеистые бетоны, пено-и газобетоны, в том числе материалы с вариатропно-каркасной структурой. Выделены факторы [24, 25], определяющие формирование физико-механических свойств композитов на основе минеральных заполнителей, в частности, физико-химические свойства составляющих композита, а также сила сцепления зерен минеральных составляющих со «связующей» частью композита (адгезия). Пример модели структуры по типу «ядро-оболочка» (непластичный силикат и глина со стеклобоем) с соотношением размеров частиц ядро-оболочка 10:1 представлен на рисунке 1.2 [40, 41]. а б вВ теоретических моделях упаковки монодисперсных систем наибольшая плотность (0,74) достигается при гексагональном типе укладки частиц. В реальных монодисперсных системах реализуется так называемая случайная псевдоаморфная укладка частиц порошка со значением плотности упаковки, не превышающим 0,64.Структурно-методологическая схема, направленная на проведение исследований по получению композиционных керамических материалов из грубозернистых техногенных продуктов, приведена на рисунке 2.1. Выявление закономерностей формирования структуры композиционного материала с максимально плотной укладкой зерен из грубозернистого техногенного продукта с направленным получением заданных эксплуатационных свойств предполагается провести путем анализа соответствия реальных структур и свойств композиционной керамики их модельным аналогам и прогнозируемым характеристикам. На основе выявленных закономерностей получения керамических композиционных материалов на основе грубозернистых наполнителей предполагается проведение исследований по получению керамической плитки стеновой и цокольной в соответствии с требованиями ГОСТ 13996-93. Методика исследований включала в себя на начальных стадиях исследование природного и техногенного сырья, сырьевых порошковых смесей и, далее, спеченных композиционных керамических материалов. Общую и огневую линейные усадки определяли по изменениям линейных размеров образцов после обжига высотой 30 мм по формулам: Улин ? l0 ?l1 ?100%, 0 l на цилиндрах диаметром и (2.4) где l0 - расстояние между метками на свежесформованном образце; l1 - расстояние между метками на сухом образце;В работе изучены глинистые месторождения, имеющие промышленное значение: суглинки Садового, Бадалыкского и Кубековского месторождений, глина Для сравнительной оценки фазовых и структурных превращений, происходящих на стадии формирования коагуляционных и кристаллизационных структур с минерализующими добавками и с целью установления более четких закономерностей вследствие незначительного содержания примесей оценен ряд мономинерального глинистого сырья: эталонный каолин Просяновского месторождения (ГОСТ 21287-55, Украина) и Черемшанского месторождений (Бурятия), бентонит черногорский (Красноярский край). Кроме того, эндотермический эффект в указанных пределах может быть связан с диссоциацией кальцита, содержащегося в глине в значительных количествах. Анализ химического и минералогического состава других глинистых объектов исследований, представленных в таблицах 2.1 и 2.2, свидетельствует о мономинеральности просяновского каолина, характеризующегося содержанием основного глинистого минерала каолинита до 96 масс. Глина компановская и просяновский каолин захватывают области их использования при производстве гончарных изделий, плиток для полов, огнеупорных изделий, что определяет перспективность их использования

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………….…………..4

Глава 1 Литературный обзор …………………………………………………..................10

1.1 Классификация композиционных материалов………………….……………………..10 1.2 Строительные композиционные материалы на дисперсных заполнителях..………...11 1.3 Особенности формирования структуры и свойств обжиговых керамических композиционных материалов из грубодисперсных непластичных компонентов…….....13 1.4 Плотность упаковки дисперсных порошковых систем…………………………….….15 1.4.1 Теоретические представления о плотной упаковке монодисперсных систем……..15 1.4.2 Теория и практика плотной упаковки частиц в полидисперных системах..……….17 1.5 Расширение сырьевой базы для производства строительных композиционных материалов……………………………………..………………..............................................25 Глава 2 Методология работы. Методика экспериментальных исследований. Характеристика состава и свойств природных и техногенных сырьевых материалов…………………………………………………………………………………...32 2.1 Методология работы………………………………………………………………..……32 2.2 Методы исследований…………………………………………………………………....33 2.2.1 Методы исследований природного и техногенного сырья……………………….…33 2.2.2 Методы исследований сырьевых порошковых смесей и спеченных материалов....34 2.2.3 Специальные методы исследования сырья и спеченных материалов..………..……37 2.3 Исследование состава и свойств природных и техногенных сырьевых материалов………………………………………………………………………...37 2.3.1 Характеристика природного глинистого сырья…………………………………...…37 2.3.2 Характеристика отходов промышленности…………………………………………..43 Глава 3 Исследование влияния фракционного состава керамических масс на структуру и свойства композиционных керамических материалов на основе техногенных продуктов …………………………………………………………………...50 3.1 Моделирование структур керамического композиционного материала………….….50 3.2 Разработка составов керамических масс на основе отходов промышленности с высоким содержанием свободного оксида кремния ……………………………………...52

3

3.3 Оптимизация фракционного состава кварцсодержащего наполнителя и керамических масс на его основе………………………………………..…………………55

3.4 Физико-химические особенности процесса спекания керамических масс на основе высококварцевых отходов………. …………………………………………………..…..…69

3.5 Разработка составов керамических масс с кальцийсодержащими техногенными наполнителями …………………………………………………………………………..…..82 3.6 Оптимизация фракционного состава наполнителя из нефелинового шлама и керамических масс на его основе ………………………………………………………….84 3.7 Физико-химические особенности процесса спекания керамических масс на основе нефелинового шлама…………………………………………………………….90 Глава 4 Синтез керамических композиционных материалов на базе кварцсодержащего техногенного сырья………………………………………………..102 4.1 Оптимизация параметров получения композиционного керамического материала…………………………………………………………………..102 4.2 Исследование влияния минерализаторов на процессы термических превращений кремнезема в полиминеральных глинистых композициях……………….111 Глава 5 Синтез композиционных керамических материалов на базе кальцийсодержащего техногенного сырья...………………………………………….117 5.1 Исследование процессов образования волластонита…………………………………117 5.2 Оптимизация параметров получения композиционных керамических материалов на основе нефелинового шлама……………………………..…………….…123 ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………………………....129 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ………………………………………………..………………131 ПРИЛОЖЕНИЕ Акт заводских испытаний композиционных керамических материалов………………………………………………………………….148

4

1. В теоретических моделях упаковки монодисперсных систем наибольшая плотность (0,74) достигается при гексагональном типе укладки частиц. В реальных монодисперсных системах реализуется так называемая случайная псевдоаморфная укладка частиц порошка со значением плотности упаковки, не превышающим 0,64.

2. Повышение плотности упаковки возможно в полидисперсных системах как «непрерывного», так и «прерывного» фракционного состав. Согласно теоретическим оценкам, наибольшая плотность упаковки, близкая к истинной плотности, достигается в системах с «непрерывной» укладкой частиц, хотя данная система является менее технологичной и трудно реализуемой на практике. Чаще для повышения плотности упаковки реализуют «прерывный» тип укладки, состоящий, как правило, из 2-3, реже 4 взаимно дополненных фракций с достижением значений плотности упаковки 0,76-0,92 и выше.

3. Моделирование плотности упаковки направлено на нахождение оптимального фракционного состава, обеспечивающего максимально плотную упаковку, 31 позволяющую направленно формировать структуру материала с высокими эксплуатационными характеристиками.

4. Реализация различных подходов достижения наибольшей плотности упаковки реальных керамических систем показывает, что плотность упаковки влияет не только на процессы, протекающие при формовании, но и обжиге керамической системы.

5. Для обжиговых композиционных керамических материалов на основе грубозернистых масс наиболее приемлемым является моделирование структуры композиционного материала по типу «наполнитель-матрица», позволяющее прогнозировать изменение структуры и свойств материала в зависимости от фракционного состава компонентов керамической массы.

32

Результаты диссертационной работы отражены в 33 публикациях, в том числе в 14 статьях в изданиях из перечня ВАК, 7 патентах, 1 положительном решении о выдаче евразийского патента.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Содержит 154 страницы машинописного текста, 69 рисунков, 33 таблицы, список литературы из 165 наименований и 1 приложение.

10