Анализ системы титанат алюминия – кордиерит

Керамические материалы состава Al2O3 ТiО2 (тиалит) не получили широкого распространения в странах СНГ, но очень интенсивно исследуются и применяются за

Анализ системы титанат алюминия – кордиерит

Курсовой проект

Химия

Другие курсовые по предмету

Химия

Сдать работу со 100% гаранией

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

 

Тема: Анализ системы титанат алюминия - кордиерит

Содержание

титанат алюминий кордиерит термостойкость

Введение

1. Аналитический обзор

.1 Термостойкость огнеупорных материалов

.2 Свойства кордиерита

.3 Свойства титаната алюминия

. Цели и задачи исследования

. Экспериментальная часть

.1 Синтез кордиерита

.2 Синтез титаната алюминия

Выводы

Список литературы

Введение

 

В современных условиях роль огнеупорных материалов с комплексом ценных свойств, таких как термостойкость, высокая коррозионная устойчивость, механическая прочность и другие постоянно растет.

Известно, что эффективное применение огнеупорных материалов в технике высоких температур часто определяется их способностью противостоять воздействию термических нагружений не разрушаясь и сохраняя высокие показатели механических и теплофизических свойств.

В последнее время возрос интерес к получению огнеупоров с использованием титаната алюминия, соединения, уникального по своим свойствам.

Керамические материалы состава Al2O3 ТiО2 (тиалит) не получили широкого распространения в странах СНГ, но очень интенсивно исследуются и применяются за рубежом в последние десятилетия. На их основе возник и развивается рынок материалов и изделий из термостойкой керамики для высоких и умеренных температур, на котором работают десятки и сотни фирм-производителей. Так, по данным компании «CERAM Researcy Ltd.» (Великобритания), тиалит применяется для изготовления тиглей, разливочных желобов, ковшей, изложниц, пробок при литье ряда металлов, в первую очередь алюминия, где обнаруживает большой срок службы, чем кварц и силикаты. Компания «Reade International Ltd.» (CША) поставляет помимо тиглей, сопел, труб и термопар для цветной металлургии футерованные патрубки для двигателей автомобилей, модельные формы для стекловаренной промышленности, термо- , коррозионно- и износостойкие покрытия для всех отраслей. Китайская фирма «Zoomber Advanced Materials» выпускает чехлы для термопар, тигли и трубки для литья алюминиевых сплавов, изложницы и фильтры для цветной металлургии.

Все эти и многие другие перспективные применения тиалита основаны на замечательном свойстве - близком к нулю коэффициенте термического расширения. Благодаря этому материал не испытывает термических напряжений при перепадах температур и способен выдержать сколь угодно сильные и многочисленные термоудары в пределах области своих рабочих температур. Эта особенность достигается за счет взаимной компенсации коэффициентов расширения оксидов титана и алюминия при стехиометрическом их соотношении, соответствующем формуле титаната алюминия Al2ТiО5.

Однако указанное достоинство превращается в недостаток в плане микроструктуры и механической прочности. Согласно исследованиям фазовых состояний в данной системе титаната алюминия устойчив только при температурах свыше 1280°С. При охлаждении после синтеза он подвергается эвтектоидному распаду на рутил и корунд, термические напряжения между образующимися кристаллами порождают своеобразную трещиноватую структуру, отличающуюся низкой прочностью при относительно высокой трещиностойкости и газопроницаемостью при относительно высокой кажущейся плотности. Термостойкости такая структура не теряет, так как термические напряжения компенсируются в ней на уровне индивидуальных кристаллов или даже целых блоков. Но прочность получаемых керамических материалов низка не только для конструкционных применений, но и для тиглей или футеровки.

В связи с этим уже более полувека ведутся интенсивные поиски способов упрочнения тиалита. Можно выделить три основных направления этих поисков: легирование, дисперсионное упрочнение и соединение с другими оксидными материалами.

Легирование оксидами многовалентных металлов, преимущественно иттрия, церия, лантана, с целью предотвращения распада высокотемпературной фазы α-Al2Ti05 было одной из первых попыток создания монолитного, а следовательно, прочного материала. Так получали плотную, мелкозернистую и термостойкую до 1500 - 1600°С керамику. Однако существенно повысить прочность без снижения термостойкости тиалита в этом направлении не удалось.

Дальнейшие усилия были направлены на упрочнение тиалита инородными включениями - монокристаллическими частицами, волокнами, трансформационными центрами и т. п. В этом направлении были достигнуты заметные успехи. Так, при упрочнении тиалита всего 2,5% ZrO2 прочность материала повышается от 20 до 29 МПа. Еще более сильный эффект получается при введении пластинчатых частиц AI2O3: вязкость разрушения растет от 1 до 5 МПа*м1/2. Введение в синтезированный высококачественный порошок А12ТiO5 «усов» SiC повышает прочность от 40 до 100 МПа. Тем не менее, не давая качественного перелома, подобные методы существенно повышают стоимость материалов, которая в упомянутых выше металлургических применениях играет далеко не последнюю роль.

Подавляющее большинство последних работ относится к попыткам соединения тиалита с другими, более прочными и доступными, материалами. Смысл этого подхода заключается в объединении высокой термостойкости тиалита с прочностью других материалов, пусть даже с некоторыми потерями в обоих свойствах [1].

Объектом исследования курсовой работы является система титанат алюминия - кордиерит (Al2TiO5 - 2MgO·2Al2O3·5SiO2). Кордиерит имеет низкую температуру плавления, и поэтому добавление его к титанату алюминия, возможно, улучшит спекаемость системы. Композиция титанат алюминия - кордиерит еще не достаточно изучена, хотя есть указания, что эти фазы сосуществуют. Необходимо это проверить, и получить хорошо спекаемую композицию с низким коэффициентом термического расширения (КТР).

1. Аналитический обзор

 

1.1Термостойкость огнеупорных материалов

 

Термостойкость - это способность хрупких материалов и изделий противостоять термическим нагружениям, возникающим в результате термических (тепловых) воздействий. Термические напряжения в материале возникают в следующих случаях: при нестационарном нагреве (термоударе); в случае стационарного нагрева в неравномерном температурном поле-напряжение первого рода; а так же при нагреве многофазных материалов - напряжения второго рода, обусловленных разницей коэффициентов термческого расширения фаз, входящих в состав материала и объемными изменениями, происходящими в сложном материале при его нагревании [2].

Термостойкость определяется не только свойствами материала, но и условиями термонагружения, т.е. распределением и скоростью изменения температур в теле, а также условиями теплообмена на поверхности тела. По этой причине термостойкость принято оценивать в критериальной форме [3].

Существует два подхода к проблеме сопротивления термоудару. Первый, в основу которого легли работы Кингери, определяется теорией термоупругости. Критерий термостойкости выражается через совокупность следующих свойств материала:

 

R=σраст*(1-μ)/(Е*α) (1)

RI=R*λ (2)

RII=R*a, (3)

 

где σраст - предел прочности при растяжении,

Е - модуль Юнга,

α - коэффициент термического расширения,

μ - коэффициент Пуансона,

λ - коэффициент теплопроводности,

а - коэффициент температуропроводности.

Критерий R характеризует термостойкость при относительно высоких скоростях теплопередачи между телом и окружающей средой (при критерии Био > 20).

При низких скоростях теплопередачи (критерий Био < 20) исползуют критерий RI, а в случае, когда нагрев и охлаждение происходят с постоянной скоростью рассматривается вопрос о максимально допустимой скорости изменения температуры материалад,- критерий RII.

Термостойкость материала повышается с повышением теплопроводности (λ) и температуропроводности (а). Эти показатели вводят в критерий термостойкости и получают новые критерии:

 

RI=R*λ (4)

RII=R*a, (5)

 

Кингери предложил оценивать термостойкость разрушающим перепадом температур ΔТраз, который зависит не только от совокупности свойств материала, определяемых R, но и от фактора формы тела gI, его характеристического размера r и коэффициента теплоотдачи от среды к поверхности тела к:

 

ΔТраз.= RI* gI (6)

ΔТраз.= RI* gI*(1/0,31 r*к) (7)

 

При высоких температурах происходит релаксация напряжений и увеличение термической стойкости. При этом различаются два температурных интервала: в первом материал считается идеально хрупким, во втором - материал рассматривается находящимся в вязкоупругом и вязкопластичном состоянии.

В теории термоупругости рассматривались идеализированные тела. Поэтому полученная экспериментально термостойкость удовлетворительно согласуется с расчетной лишь для узкого круга гомогенных материалов.

Второй подход к проблеме сопротивления термоудару заключается в оценке способности материала сопротивляться распространению разрушающей трещины.

Трещины, образующиеся в результате термических напряжений, могут оказывать значительное влияние на термостойкость хрупких материалов. Они разбивают материал на отдельные фрагменты, имеющие возможность в некоторой степени сдвигаться относительно друг друга. Это повышает податливость стру

Лучшие

Похожие работы

1 2 3 4 > >>