РЕНТГЕНОГРАФИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ФАЗООБРАЗОВАНИЯ ОПЫТНЫХ ОБРАЗЦОВ КОМПОЗИЦИОННЫХ ЭЛЕКТРОКЕРАМИЧЕСКИХ МАСС, ОБОЖЖЕННЫХ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ

АННОТАЦИЯ

Проведено рентгенографическое исследование процесса фазообразования опытных образцов электрокерамических композиций на основе местного минерального сырья и глиноземсодержащего отхода. В результате исследований установлено, что в опытных образцах, обожженных при температуре 1250–1350 °С, образуются кристаллические фазы – муллита, кварца, кристобалита и стекловидная фаза.

ABSTRACT

An X-ray study of the process of phase formation of prototypes of electro ceramic compositions based on local raw materials and alumina-containing waste was carried out. As a result of the research, it was found that in test samples fired at a temperature of 1250-1350⁰C, crystalline phases are formed - mullite, quartz, cristobalite and a glassy phase.

Ключевые слова: композиция, электрокерамика, процесс фазообразования, температура обжига, муллит, кварц, кристобалит, стекловидная фаза.

Keywords: composition, electro ceramics, phase formation, firing temperature, mullite, quartz, cristobalite, vitreous phase.

Введение. Электротехнические материалы в последние годы приобретают все большое значение, что связано с их более высокой прочностью по сравнению с другими видами, в особенности с высокими электроизоляционными свойствами в области высоких напряжений.

Положительное влияние некоторых добавок (оксидов алюминия, магния и др.), некоторых компонентов, используемых в качестве сырья для электрокерамических изделий, на свойства электрокерамических масс и изделий из них установлено в многочисленных исследованиях [1; 2; 3].

Применяемые сырьевые материалы для их изготовления максимально должны быть чистыми и однородными по составу. Эти требования вызваны с тем, что примеси в исходных материалах существенно влияют на процесс фазообразования при обжиге керамики [4; 5].

В связи с этим особо важное значение имеют физико-химические исследования процесса фазообразования опытных образцов композиционных масс с использованием рентгенофазового анализа, результаты которых могут служить для создания физико-химических основ получения электрокерамики с улучшенными диэлектрическими свойствами.

Приведены результаты рентгенографического исследования фазового состава композиционных масс электрокерамики на основе местного и вторичного сырья, обожженного при различных температурах.

Объект и метод исследования. Опытные образцы изготовлены из композиционных масс, в которых основными исходными компонентами являлись лейкократовый гранит, каолин, доломит, бентонит, глиноземсодержащий отход. Образцы подвергались сушке при 105–110 °С и обжигались при 1250, 1300, 1350, 1400 °С. Фазовые превращения образцов изучались методом рентгенофазового анализа.

Результаты и их обсуждение. На рисунке 1 приведены рентгенограммы опытных образцов из смеси КК-9, обожженных при различных температурах. Как видно из рисунка 1а, в образцах из смеси электрокерамики, обожженных при 1250 °С, в виде кристаллических фаз присутствуют b-кварц (0,424; 0,334; 0,286; 0,245; 0,227; 0,212; 0,181; 0,152), кристобалит (0,404; 0,314; 0,249; 0,152) и муллит (0,334; 0,286; 0,269; 0,254; 0,220; 0,212; 0,188; 0,169; 0,159), причем содержание кварца уменьшилось, муллит остался без изменения, кристаллическая решетка полевого шпата разрушена, видимо, вследствие плавления.

В образцах, обожженных при 1300 °С (рис. 1б), количество b-кварца уменьшилось за счет перехода в кристобалит, содержание которого увеличилось, что подтверждается появлением пиков при d = 0,314; 0,243 нм, присущих кристобалиту. Содержание муллита изменилось незначительно, появились новые пики, присущие муллиту, а также увеличилась их интенсивность.

а) 1250 °С; б) 1300 °С; в) 1350 °С; г) 1400 °С

Рисунок 1. Рентгенограммы опытных образцов из массы КК-9, обожженных при различных температурах

В образцах, обожженных при температуре 1350 °С (рис. 1в), отмечается уменьшение содержания b-кварца за счет частичного оплавления мелких зерен, а также перехода его в кристобалит. Количество образующегося муллита продолжает увеличиваться.

В образцах, обожженных при температуре 1400 °С (рис. 1г), основной составной кристаллической фазой является муллит, кристаллические решетки b-кварца и кристобалита разрушены. Это говорит о том, что температура 1400 °С для обжига является завышенной.

Кристаллизация муллита в материалах, обожженных при 1250 °С, характеризуется меньшей интенсивностью пиков по сравнению с образцом, обожженным при 1300 °С. Из рентгенограммы видно, что кристаллизация муллита в образце из массы КК-9, обожженном при 1350 °С, происходит более интенсивно, что характеризуется более высокой интенсивностью его пиков по сравнению с образцом, обожженным при 1300 °С. Образование кристобалита с повышением температуры обжига характеризуется ростом интенсивностей пиков до 1350 °С, а при 1400 °С происходит разрушение кристаллической решетки.

Рентгенографическое исследование глиноземистой композиционной смеси КК-12 (рис. 2) показало, что образцы, обожженные при температуре 1250 °С (рис. 2а), содержат в своем составе в виде кристаллических фаз β-кварц (d = 0,424; 0,334; 0,295; 0,227; 0,212; 0,181; 0,153), кристобалит (d = 0,404; 0,314; 0,286; 0,249; 0,152) и муллит (d = 0,537; 0,334; 0,286; 0,269; 0,250; 0,220; 0,212; 0,188; 0,169; 0,159; 0,152). Содержание кварца уменьшилось, муллит остался без изменения, кристаллическая решетка полевого шпата разрушена вследствие плавления.

а) 1250 °С; б) 1300 °С; в) 1350 °С; г) 1400 °С

Рисунок 2. Рентгенограммы опытных образцов из массы КК-12, обожженных при различных температурах

В образцах КК-12, обожженных при 1300 °С (рис. 2б), количество β-кварца уменьшилось за счет перехода в кристобалит и частичного оплавления в полевошпатовом расплаве, содержание кристобалита увеличивалось, что подтверждается появлением пиков при d = 0,269; 0,254; 0,220; 0,212; 0,169, присущих кристобалиту. Содержание муллита изменилось незначительно, появилась его интенсивность.

В образцах, обожженных при 1350 °С (рис. 2в), количество β-кварца уменьшилось, некоторые характерные для кварца пики d = 0,424; 0,295; 0,212 исчезли, и интенсивность остальных пиков уменьшалась, интенсивность характерных пиков для муллита увеличивалась, и появились новые пики (d = 0,254; 0,242; 0,227; 0,213; 0,151); для кристобалита тоже появились новые пики (d = 0,334; 0,153).

В образцах, обожженные при 1400 °С (рис. 2г), имеются пики, характерные для муллита, интенсивность этих пиков значительно увеличена, а пики, характерные для кварца, все уменьшены, часть из них исчезали, пики для кристобалита тоже частично уменьшены. Это говорит о том, что температура обжига 1400 °С для этой смеси является завышенной, часть веществ растворены в полевошпатовом растворе.

Рентгенограмма композиционной массы КК-13 приведена на рисунке 3. Как видно из рис. 3а, образцы массы, обожженные при температуре 1250 °С, содержат в своем составе значительное количество β-кварца (d = 0,424; 0,334; 0,245; 0,227; 0,220; 0,213; 0,193; 0,181; 0,169; 0,153), небольшое количество кристобалита (d = 0,404; 0,286; 0,250; 0,243) и муллита (d = 0,442; 0,268; 0,250; 0,227; 0,193; 0,152). С повышением температуры до 1300 °С (рис. 3б) интенсивность линии муллита увеличивается, появляются новые пики, характерные для муллита (d = 0,254; 0,238; 0,202), некоторые пики, характерные для кварца, исчезли (d = 0,193; 0,152), появились пики, характерные для кристобалита (d = 0,213; 0,159).

а) 1250 °С; б) 1300 °С; в) 1350 °С; г) 1400 °С

Рисунок 3. Рентгенограммы опытных образцов из массы КМ-13, обожженных при различных температурах

Образцы композиции, обожженные при 1350 °С (рис. 2в), содержат в виде кристаллических фаз муллит, с появлением новых пиков (d = 0,373; 0,370; 0,338) количество кварца уменьшалось, интенсивность линий, исчезали пики (d = 0,193; 0,181; 0,152), т.е. он переходил в кристобалит. Содержание кристобалита при этой температуре увеличивали, появились новые пики (d = 0,213).

Образцы композиции, обожженные при 1400 °С (рис. 3г), содержат в значительном количестве муллит, кристобалит, а содержание кварца уменьшалось.

Выводы. Изучение фазовых превращений в структуре электрокерамических разработанных композиционных масс методами рентгенографического анализа показало, что фазовый состав разработанных электрокерамических композиций КК-9, КК-10 и КК-13 состоит из кристаллических фаз муллита, кварца, кристобалита, а также содержится аморфная стекловидная фаза.

Список литературы:

1. Августиник А.И., Петрова В.З., Касаткина И.М. Влияние добавок Al2O3 на физико-механические свойства полевошпатовых стеклофаз фарфорового типа // Труды Ленинградского технологического института им. Ленсовета. – 1998. – Вып. 59. – С. 40–46.
2. Масленникова Г.Н. Электротехническая промышленность // Журнал Всесоюзного химического общества им. Д.И. Менделеева. – 1988. – № 5 (27). – С. 546–552.
3. Масленникова Г.Н., Бученкова А.Ф. Высоковольтные керамические материалы с повышенными электромеханическими свойствами // Журнал прикладной химии. – 1983. – № 8. – С. 1654–1659.
4. Петрографическое и рентгенографическое исследования керамических композиций на основе местного сырья / В.С. Туляганова, Р.И. Абдуллаева, М.О. Тўйчиева, Н.О. Умирова [и др.] // Universum: технические науки. – М., 2021. – Вып. 8 (89), ч. 2. – С. 117–122.
5. Электрокреамические композиционные материалы и технология их получения : монография / Р.И. Абдуллаева, В.С. Туляганова, С.С. Негматов, Н.С. Абед. – Ташкент : Инновацион ривожланиш нашриёт-матбаа уйи, 2021. – 122 с.