РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ КЕРАМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КОМПОЗИЦИОННЫХ ЭЛЕКТРОКЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

АННОТАЦИЯ

В работе приведены результаты разработки и исследования физико-механических свойств композиционных электрокерамических материалов на основе местного сырья и отхода рисоперерабатывающей промышленности. Разработаны составы и исследованы керамико-технологические и диэлектрические свойства опытных образцов, созданные из  электрокерамических масс, исходные компоненты которых подвергались механоактивации.

ABSTRACT

The paper presents the results of the development and study of the physic mechanical properties of composite electro ceramic materials based on local raw materials and waste of the rice-processing industry. The compositions have been developed and the physical and mechanical and dielectric properties of prototypes developed from the electro ceramic masses are developed.

Ключевые слова: магнезиальная керамика, стеатит, форстерит, кордиерит, тальк, бентонит, керамическая масса, обжиг, температура, свойства, электрокерамические материалы. 

Keywords: Magnesian ceramics, steatitis, forsterite, cordierit, talc, bentonite, ceramic mass, firing, temperature, properties, electro ceramic materials.

Электрокерамические материалы представляют собой искусственные твердые тела, получаемые в результате термической обработки (обжига) исходных керамических масс, состоящих из различных минералов (глины, талька и др.) и других веществ, взятых в определенном соотношении [1, с.117].  

Электрокерамические материалы применяются в различных отраслях промышленности в особенных условиях. Например, линейные подвесные фарфоровые изоляторы работают на высоковольтных воздушных линиях электропередачи и подвергаются различным физико-химическим воздействиям, которые могут привести к необратимым воздействиям.

По величине диэлектрических потерь, электрической и механической прочности стеатитовая керамика превосходит высоковольтный электротехнический фарфор, поэтому из них изготавливают антенные и опорные изоляторы, изоляторы для резисторов ламповых генераторов [2, с.29].

В процессе высокотемпературного обжига изделий между частицами исходных веществ происходят сложные физико-химические процессы с образованием новых веществ кристаллического и стеклообразного строения [1, с.117].

В производстве разнообразных керамических материалов существует сложные задачи, т.е. с одной стороны научно-технический прогресс ставить все более сложные задачи и предъявляет повышенные требования к техническим свойствам, внешнему виду изделий, а с другой стороны ощущается влияние ряда не благоприятных факторов, таких как нехватка высококачественного сырья, энергии, топлива, резкий рост их стоимости и др., эти факторы затрудняют выполнение поставленных задач, диктует необходимость поиска путей решения возникающих проблем.

В связи с этим, целью данной работы является разработка составов получения композиционных электрокерамических материалов с использованием нетрадиционных и новых механоактивированных сырьевых материалов и отхода производства.

В последнее время для получения изделий электрокерамики, наряду с традиционными видами сырья, также широкое применение нашли нетрадиционные сырьевые материалы, применение которых не только улучшает свойства готовых изделий, но и способствует созданию ресурсо- и энергосберегающих технологий их изготовления. В этом плане тальк, бентонит, доломит, лейкократовый гранит и отход рисоперерабатывающей промышленности  представляются наиболее перспективными, однако разнообразие их химико-минералогического состава создает необходимость проведения в каждом конкретном случае отдельных исследований.

В настоящее время в республике образуется много отходов рисоперерабатыващей промышленности, после обжига, которых в них содержится около 82% SiO₂. В связи с этим последние являются достаточно хорошим кварцсодержащим сырьем и приставляют большой практический интерес в качестве сырья для керамической промышленности.

Физико-технические характеристики и технологические свойства магнезиальных  электрокерамических материалов в большей степени зависят от состава и строения талька. В процессе обжига из состава талька удаляется влага, в результате чего происходит интенсивная усадка массы. Для устранения интенсивной усадки масс в процессе обжига часть талька подвергается обжигу при 1350⁰С, для этого тальк измельчается до размера 2 мм, затем обжигается.

Каменистый материал – тальк измельчалось в течение 8 часов. Тонина помола характеризовалось остатком на сите 21900 отв/см² не более 0,1%. Массу подвергали обезвоживанию, затем промывали в лабораторных условиях. Массу подвергали вылеживанию в течение 24 часов для улучшения пластичных и формовочных свойств. Далее из опытных масс  влажностью 22-23% изготовлялись лабораторные образцы, для определения керамико-технологических свойств. Изготовление опытных образцов производили по пластичной технологии, а затем их высушивали при 105-110⁰С до постоянного веса и определялись керамико-технологические свойства образцов.

Опытные массы, приготовленные на основе талька, каолина, бентонита, лейкократого гранита, доломита и кремнеземсодержащего отхода подвергались к определению физико-механических свойств, результаты которых приведены в таблице 2. Из таблицы 2 видно, что при использовании талька, каолина, бентонита, доломита и кремнеземсодержащего отхода для производства электрокерамики, повышается пластичность опытных масс, увеличивается воздушная усадка, и увеличивается прочность при статическом изгибе. Например, предел прочности при статическом изгибе опытных образцов после сушки увеличивается до 55-56 МПа за счет применения бентонита в количестве 4%.

Таблица 1.

Физико-механические свойства опытных керамических масс

Установлено, что введение в состав опытных масс бентонита и каолина увеличивается пластичность опытных масс, а высокая пластичность опытных масс позволяет оформлять из них крупногабаритные изделия, обладающие в необожженном состоянии достаточной механической прочностью для их транспортировки и механической обработки.

Образцы, отформованные для физико-механических и диэлектрических испытаний, высушивали в сушильном шкафу при 110-120⁰С и обжигали  при температурах 1200, 1250, 1300⁰С, с выдержкой при конечной температуре обжига 30 мин. В таблице 3 приведены результаты керамико-технологических свойств опытных образцов керамических масс. При введении 4% бентонита механическая прочность на изгиб воздушно-сухих образцов увеличивается до 88-89 МПа. Установлено, что высокая пластичность опытных масс позволяет оформлять из них даже крупногабаритные изделия, обладающие в необожженном состоянии достаточной механической прочностью для их транспортировки и механической обработки.

Из таблицы 3 видно, что в опытных образцах наблюдается увеличение механической прочности, плотности и усадки, уменьшения водопоглощения  с повышением температуры обжига.

Таблица 2.

Керамико-технологические свойства опытных образцов керамических масс

Во всех образцах при температуре 1350⁰С и выше наблюдается повышение водопоглощения, снижение плотности, нарастание количества полевошпатового расплава, остекловывание и появление пор.

Анализ полученных результатов позволяет отметить, что полное спекание опытных образцов, характеризуемое наименьшим водопоглощением и достаточно стабильными значениями кажущейся плотности и механической прочности для всех опытных масс, происходит в интервале температур 1200-1300⁰С. Из таблицы 4 также видно, что высокие диэлектрические свойства образцов во всех опытных образцах наблюдаются при 1300⁰С.

Таблица 3. 

Диэлектрические свойства образцов электрокерамических масс, обожженных при 1300⁰С

По своим свойствам наиболее высокие показатели имеют образцы из масс К-1, К-2 и К-11, К-12. Они отличаются высокой электрической прочностью, высокими показателями удельного объемного сопротивления и механической прочностью. Образцы из этих масс обладают наилучшими показателями параметров в интервале температур 1200-1300⁰С.

Таким образом, в результате изучения характера изменения свойств водопоглощения, плотности, прочности, усадки, характеризующих процесс спекания электрокерамических материалов, установлено, что разработанные составы опытных масс имеют пониженную температуру спекания на 40-50⁰С, чем обычным. Из вышеизложенного следует, что наилучшими показателями физико-механических и диэлектрических свойств обладают образцы из массы К-1, К-2, К-11, К-12.

Список литературы:

1. Никулин Н.В. Справочник молодого электрика по электротехническим материалам и изделиям. Изд. 3-е, перераб. И доп. М., Высшая школа, 1973, 288с.
2. Гузман И.Я. Тенденция развития производства изделий из тонкой керамики //Стекло и керамика. –М, 1985. - №4. -С. 29-30.