ПЕТРОГРАФИЧЕСКОЕ И РЕНТГЕНОГРАФИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ КОМПОЗИЦИЙ НА ОСНОВЕ МЕСТНОГО СЫРЬЯ

АННОТАЦИЯ

В статье приведены результаты петрографического и рентгенографического исследований при различных температурах электрокерамических композиций на основе местного сырья.

ABSTRACT

The article presents the results of petrographic and X-ray studies at various temperatures of electroceramic compositions based on local raw materials.

Ключевые слова: керамика, тальк, каолин, бентонит, состав, свойства, стеатит, температура, композиция, стекловидная фаза, структурообразования

Keywords: ceramics, talc, kaolin, bentonite, composition, properties, steatite, temperature, composition, glassy phase, structure formation

Электрокерамические материалы используются в различных отраслях промышленности в особенных условиях. Поэтому к ним предъявляют весьма жесткие требования в отношении электрофизических, термомеханических и других свойств, обеспечивающих надежность и долговечность электрических машин и аппаратов. Во многих случаях фарфор не может обеспечить полностью все требования к изоляторам различного назначения. Для этого существуют различные электрокерамические материалы, такие как магнезиальные: стеатитовые, форстеритовые, кордиеритовые, высокоглиноземистые, литийсодержащие, цельзиановые и многие другие.

Из всех видов магнезиальной высокочастотной керамики наибольшее распространение получила так называемая стеатитовая.  Стеатитовые изделия вырабатываются в очень больших количествах, и в настоящее время они являются основным видом установочной высокочастотной керамики. Промышленностью разработано и освоено большое количество различных по своему составу стеатитовых масс применительно к различным методам изготовления изделий, зависящих от их назначения, формы и размеров. Стеатитовая керамика нашла также применение для изготовления изоляторов в высоковольтной технике [1, c.293].

Стеатит - керамика на основе природного магнезиального (силикатного) сырья, преимущественно талька (3МgO∙4SiО₂ ∙H₂O), и глинистых компонентов. Плотные разновидности талька называют стеатитом. Стеатитовая (клиноэнстатитовая) керамика получила название по основной кристаллической составляющей этого вида керамики - метасиликату магния MgO∙SiO₂ - клиноэнстатиту [2, с.8].

Основным сырьем для производства клиноэнстатитовой керамики является тальк - гидросиликат магния состава 3MgO∙4SiO₂∙Н₂О, включающего мас. %:  SiO₂ - 63,5; MgO - 31,7; Н₂О - 4,8 [2, с.13].

Целью настоящей работы является исследования физико-химических процессов спекания и особенностей фазо- и структурообразования электрокерамических композиционных материалов.  

На основе местного сырья: талька,  доломита и отхода производства разработаны составы электрокерамических композиционных масс. С целью пластификации массы и снижения температуры спекания электрокерамики в состав решили вводить высоко-пластичные материалы, как каолин и бентонит. Для значительного снижения температуры обжига и получения элеткрокерамики с требуемыми свойствами в массу добавляли углекислый барий. Все компоненты подвергались отмагничиванию.

Фазовый состав опытных образцов является особо важным, так как все эксплуатационные свойства зависят от этих составов, и определялся методом петрографического и рентгеноструктурного  анализа.

Фазовый состав стеатитовой керамики представлен метасиликатом магния и стеклофазой. Кремнезем и примеси при обжиге переходят в стеклофазу. При 1200-1300°C образуется основное количество клиноэнстатита. Поскольку основной кристаллической фазой стеатитовой керамики является метасиликат магния [1, с.14].

Микрофотография опытного образца, обожженного при температуре 1200⁰С, приведена на рисунке 1а. Образец имеет неоднородную, грубозернистую структуру, содержатся  поры в незначительном количестве, размеры пор 30-35 мкм. В основной массе содержится метакаолинит, метатальк с N_g = 1,575; N_p = 1,540; кварц с N_е = 1,552; N_o = 1,540. Основная масса имеет вид дегидратированного, неуплотненного материала.

Температура обжига образцов, ⁰С: а) 1200; б) 1250; в) 1300; г) 1350

Рисунок. 1. Микрофотография опытных образцов из массы М₁ (х 600)

Образец, обожженный при температуре 1250⁰С (рис.1 б). Образец имеет неоднородную, среднезернистую структуру, содержатся  поры размером 25-30 мкм. В основной массе содержится стекловидная фаза, кристаллические фазы метасиликата магния в виде протоэнстатита с N_g =  1,660; N_p = 1,652; муллит с размером зерен 2-3 мкм, кварц и кристобалит. Следует отметить, что зерна кристобалита четко выражены.

На рисунке 2а приводится образец, обожженный при температуре 1300⁰С. Образец имеет неоднородную, мелкозернистую структуру, содержатся поры с уменьшенными размерами 20-25 мкм. Основная масса состоит из кристаллов протоэнстатита, содержание которых достигает 55-58%. В материале содержатся отдельные скопления муллита размером 2-3 мкм, отдельные зерна кварца и кристобалит в значительном количестве.

На рисунке 2 б приводится образец, обожженный при температуре 1350⁰С. Образец имеет неоднородную, мелкозернистую плотную структуру, содержание пор круглой формы незначительное, их размеры 18-20 мкм. Основной массой преобладающей кристаллической фазы является метасиликат магния в виде протоэнстатита, содержатся кристаллические фазы муллита, кварца, кристобалита, стекловидной фазы. Таким образом, результаты петрографического анализа показали, что опытные образцы в процессе обжига претерпевают физико-химические процессы, в результате которых образуются новые кристаллические фазы метасиликата магния в виде протоэнстатита в количестве 55-61%, муллита, кристобалита и стекловидной фазы.

Температура обжига образцов, ⁰С: а) 1300; б) 1350

Рисунок 2. Микрофотография опытных образцов из массы М₁ (х 600)

Судя по объему и строению исследуемого материала небходимо отметить, что опытные образцы, обожженные при температуре 1350⁰С, имеют нормально сформированную, плотную структуру, основными фазами являются кристаллическая фаза метасиликата магния в виде протоэнстатита, в котором содержится кварц, муллит, кристобалит и стекловидная фаза, количество последних колеблется в пределах 38-40%. Размеры кристаллов протоэнстатита составляют 2-6 мкм, N_g=1,660;  N_p=1,652.

Петрографическими исследованиями установлены структура обожженных образцов из стеатитовых композиционных смесей, сведения о присутствии тех или иных кристаллических фаз, их размерах и форме, характер их положения, взаимосвязи между ними и стекловидной фазой.

Диапазон петрографических исследований ограничен до увеличения в 600 раз. Для более  основательного изучения физико-химических процессов требуется глубокое изучение этих процессов, позволяющее получить более достоверные результаты.

Рентгенографическое исследование даёт результаты о существовании возможных кристаллических фаз и их перехода от одной формы в другую, в зависимости от температуры. Для решения поставленной задачи в настоящей работе приведены результаты рентгенографического исследования фазового состава опытных образцов, обожженных при различных температурах из композиционных смесей на основе местного сырья и отхода промышленности. Образцы, обожженные при температурах 1200, 1250, 1300, 1350⁰С, подвергались рентгенофазовому анализу. Рентгенограммы образцов из массы М₁ приведены на рисунке 3.

Как видно из рис. 3 а, в образцах из композиционной смеси М₁, обожженных при температуре 1200⁰С, в виде кристаллических фаз присутствует β-кварц (d/n = 0,424; 0,334; 0,286; 0,245; 0,227; 0,181; 0,152 нм), метакаолинит (d/n = 0,515; 0,739 нм), метатальк (d/n = 0,457; 0,248; 0,192 нм), кристаллическая решетка разрушена, видимо, вследствие плавления легкоплавких компонентов.

Температура обжига образцов, ⁰С: а)1200, б)1250, в)1300, г)1350;

□ - протоэнстатит; ◊ - клиноэнстатит; ● - энстатит

Рисунок 3. Рентгенограммы опытных образцов из массы М₁

В образцах из композиционной смеси М₁ (рис. 3 б), обожженных при 1250⁰С, в виде кристаллических фаз присутствует метасиликат магния-протоэнстатит (d/n = 0,462; 0,3171 нм), количество β-кварца уменьшилось (d/n = 0,424; 0,286; 0,245; 0,212; 0,152 нм), кристобалит (d/n = 0,404; 0,314; 0,249; 0,152 нм), появляется муллит в незначительном количестве (d/n = 0,286; 0,269; 0,254; 0,188 нм).

В образцах из композиционной смеси М₁ (рис. 3 в), обожженных при температуре 1300⁰С, отмечено, что кристаллическая фаза протоэнстатита увеличивалось, т.е. появлялись пики (d/n = 0,462; 0,3171; 0,2725 нм). Количество муллита значительно больше, содержание β-кварца уменьшалось, а количество кристобалита стало больше, что подтверждается появлением пиков при d/n =0,314; 0,243 нм, присущих кристобалиту.

В образцах из композиционной смеси М₁ обожженных при 1350⁰С (рис. 3 г), отмечается, что основной составной кристаллической фазой является метасиликат магния в виде протоэнстатита с d/n = 0,462; 0,3171; 0,2725; 0,2117 нм, содержание β-кварца уменьшается за счет перехода в кристобалит, количество образующегося муллита продолжает увеличиваться, при этой температуре в образцах обнаружены клиноэнстатит с d/n = 0,2542; 0,2459; 0,2140 нм. Исследование кристобалита с повышением температуры обжига характеризуется ростом интенсивностей пиков до 1350⁰С.

Таким образом, изучение фазовых превращений в структуре опытных композиций, разработанных на основе местного сырья и отхода промышленности, методом рентгенофазового анализа показало, что фазовый состав разработанных электрокерамических композиционных материалов состоит из кристаллических фаз протоэнстатита, муллита, кварца и кристобалита и стекловидной фазы, которая заполняет промежутки между зернами кристаллических фаз.

Необходимо отметить, что, по результатам рентгенографических исследований можно сказать о существовании возможных кристаллических фаз и их перехода от одной формы в другую в зависимости от температуры. Петрографическими исследованиями определены структура обожженных образцов из электрокерамических композиций, сведения о присутствии тех или иных кристаллических фаз, их размерах и форме, характер их положения, взаимосвязи между ними и стекловидной фазой.

Список литературы:

1.  Балкевич В.Л. Новые материалы в технике. /под.ред.Е.Б.Тростянская и др./ Раздел II. М:, изд. «Химия», 1964, -650с.
2. Толкачева А.С., Павлова И.А. Технология керамики для материалов электронной промышленности. /Учебное пособие, г. Екатерингбург,  Изд. Уральского универ-та, в 2 ч. Ч1, 2019, -124с.