ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СПЕКАЕМОСТИ ЭЛЕКТРОКЕРАМИЧЕСКИХ КОМПОЗИЦИЙ

АННОТАЦИЯ

В статье приведены результаты процесса спекаемости стеатитовых электрокерамических композиций при температуре  1200-1350⁰С. Установлено, что процесс спекаемости стеатитовых электрокерамических композиционных материалов зависит от физико-химических процессов и характера изменения керамико-технологических свойств, происходящих при обжиге.

ABSTRACT

The article presents the results of the sintering process of steatite electroceramic compositions at a temperature of 1200-13500C. It has been established that the sintering process of steatite electroceramic composite materials depends on the physicochemical processes and the nature of changes in the ceramic-technological properties that occur during firing.

Ключевые слова: керамика, структура, кристаллическая фаза, твердая фаза, свойства, пористость, прочность, водопоглощение, усадка, обжиг, электрокерамические материалы.

Keywords: ceramics, structure, crystalline phase, solid phase, properties, porosity, strength, water absorption, shrinkage, firing, electro ceramic materials

Введение. На сегодняшний день в мире композиционные электрокерамические материалы широко применяются в энергетической, нефтехимической, металлургической, машиностроении и других отраслях промышленности.

В связи с этим, развитие электрокерамической отрасли промышленности в мире имеет особое экономическое значение и растет спрос на композиционные электрокерамические материалы, используемые в электро- и машиностроении.

В этом аспекте разработка эффективных составов и энерго-ресурсосберегающих технологии получения электрокерамических материалов для изготовления аппаратных изоляторов, изоляторов свечей зажигания, низковольтных конденсаторов, изоляторов работающих при высоких температурах, в вакууме, агрессивных средах и др. имеет особое значение [1].

Во всем мире ведутся исследовательские работы по разработке изоляционных электрокерамических материалов электротехнического и машиностроительного назначения физико-механическими и  электрофизическими свойствами. 

В этом аспекте большое внимание уделяются созданию электроизоляционных композиционных керамических  материалов электротехнического и машиностроительного назначения с высокими электрофизическими, физико-механическими и диэлектрическими свойствами и разработке энерго-ресурсосберегающая  технология их получения. 

Объекты и методы исследований. Объектом исследования являются электрокерамические композиции, которые составляются из сырого и обожженного талька, доломита, каолина, бентонита и кремнеземсодержащего отхода рисопрерабатывающей промышленности.

В производстве электрокерамических изделий наиболее широкое применение имеет метод пластичного формования [2]. Исходя из имеющихся возможностей, в данной работе принимались методы пластичного формования. При определении шихтовых составов опытных масс ориентировались на литературные данные и химические составы исходных сырьевых материалов, чтобы создавать условия для образования в процессе обжига кристаллической  фазы - метасиликата магния в достаточно большом количестве при относительно низкой температуре обжига [3-6] .

Результаты и их обсуждение. Процесс спекаемости электрокерамических материалов зависит от многих факторов, состава шихты, химических составов исходных компонентов, физико-химических процессов, происходящих при обжиге, характера изменения керамико-технологических свойств и др.

Для получения предварительных данных о поведении опытных масс при обжиге был проведен их комплексный термический анализ. Термографическому анализу подвергались образцы из опытных масс, термограмма опытной массы М₁ приведена на рисунке 1.

1-температурная кривая; 2- дифференциальная кривая; 3- кривая усадки; 4- кривая потери массы

Рисунок 1. Термограмма опытной массы М₁

Как видно из термограммы, в процессе обжига наблюдается 5 эндотермических эффектов. Первый эндотермический эффект при 150⁰С вызван удалением гигроскопической влаги, содержащейся в массе. Второй эндотермический эффект при 495-560⁰С выражен более резко и вызван дегидратацией каолина и бентонита. Третий, четко выраженный эндотермический эффект в температурном интервале 780-845⁰С вызван процессом декарбонизации. Четвертый, весьма слабо выраженный эндоэффект, при  915⁰С вызван удалением конституционной воды. Пятый эндоэффект при 1250⁰С вызван  дегидратацией талька.

При температуре 1125-1250⁰С происходит падение дифференциальной кривой, что вызывается появлением значительного количества расплава. На термограмме стеатитовой массы отсутствует экзотермический эффект, связанный с образованием метасиликата магния.

Процесс спекаемости стеатитовых электрокерамических композиций изучался косвенно, то есть путем определения характера изменения керамико-технологических свойств в зависимости от температуры обжига.

На рис. 2-4 приведены характер изменения водопоглощения, усадки, плотности, прочности в зависимости от температуры обжига для образцов из массы М₁, М₂, М₃. Анализируя данные, можно условно выделить две стадии в процессе обжига исследуемых составов. Значительное изменение свойств происходит до температуры 1200⁰С, ниже этой температуры происходит определенное взаимодействие в твердой фазе с продуктами разложения каолинита и кварца.

Рисунок 2.  Зависимость водопоглощения (В), усадки (L), плотности (γ), прочности (δ_из) стеатитовых материалов состава М₁ от температуры обжига

Перенос вещества в этом периоде осуществляется поверхностной и объемной диффузией без участия жидкой фазы. Но на второй стадии спекание происходит с активным участием жидкой фазы, которая заполняет поры между частицами, тем самим играет роль жидкой смазки, облегчающей взаимное  перемещение частиц кристаллических фаз. Таким образом, последняя создает стягивающее капиллярное усилие между частицами, обуславливая уменьшение пористости и уплотнение материала.

При температуре 1250⁰С начинается наиболее интенсивное спекание, т.е.  начинается второй период спекания. Образующаяся жидкая фаза в этом периоде содержит в своем составе значительное количество щелочных и щелочноземельных оксидов, которые понижают вязкость расплава, делая его весьма подвижным и агрессивным.

Рисунок 3. Зависимость водопоглощения (В), усадки (L), плотности (γ), прочности (δ) стеатитовых материалов состава М₂ от температуры обжига

Рисунок 4. Зависимость водопоглощения (В), усадки (L), плотности (γ), прочности (δ_из) стеатитовых материалов состава М₃ от температуры обжига

Наиболее заметное изменение плотности, прочности, водопоглощения, усадки и др. свойств для масс М₁, М₂, М₃ наблюдается в интервале температур 1200-1300⁰С. Это можно объяснить увеличением размера зерен, который, в свою очередь, влияет на изменение формы и размера пор, т.е. с уменьшением диаметра пор давление в них возрастает.

Дальнейшее увеличение температуры обжига обуславливает быстрое уплотнение исследуемых смесей. До температуры 1350⁰С в стеатитовых смесях степень уплотнения остается примерно одинаковой. Выше 1350⁰С наблюдается уменьшение степени уплотнения. Уменьшение плотности выше 1350⁰С объясняется изменением открытой пористости. Интенсивное образование новых кристаллических фаз в образцах происходит до 1350⁰С и заканчивается при этой температуре. При температуре 1350⁰С достигается максимальное значение предела прочности при статическом изгибе опытных образцов, которая выше этой температуры снова снижается. Температура максимального значения прочности совпадает с температурой минимума пористости и водопоглощения. В образцах в температурном интервале 1300-1350⁰С достигается полная смачиваемость твердых зерен образующейся жидкостью, а её количество достаточно для заполнения пор между частицами, и достигается при почти нулевом водопоглощении. С повышением температуры обжига происходит изменение усадки аналогично кривым других свойств. До температуры 1350⁰С в образцах происходит плавное повышение усадки, а начиная с 1350⁰С происходит её снижение.

Заключение. Анализируя полученные данные можно сказать, что массы М₁, М₂, М₃  спекаются при 1350⁰С. При изучении влияния количества и природы кристаллической фазы на свойства стеатита можно сказать, что повышение количества кристаллической фазы до определенной величины сопровождается ростом механической прочности, которая затем понижается. Падение прочности объясняется недостатком стекловидной фазы, необходимой для получения прочного черепка.

Отмечается, что прочность стеатита зависит, в основном, от свойства и количества стекловидной фазы и в меньшей степени от прочности кристаллической фазы.

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. Выдрик Г.А., Костюков Н.С. Физико-химические основы производства электрокерамических изделий. М.: Энергия., 1971. -С. 132-152.
3. Валеев Х.С. Электрические свойства стеатитовых материалов при повышенных температурах. - Электричество,1955, М, -С.56-62.
4. Масленникова Г.Н. Фарфор: состав, структура, свойства. /Керамическая промышленность. М.: ВНИИНТИЭПСМ, 1994. - 43с.
5. Масленникова Г.Н. Некоторые направления развития алюмосиликатной керамики //Стекло и керамика. - 2001.- №2, -С. 10-14.
6. Кульметьева В.Б., Порозова С.Е. Керамические материалы: получение, свойства, применение / Пермь : Изд-во Пермского гос. технического ун-та, 2009. - 236 с.