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
ктуры и ослабляет в конечном счете действие термических напряжений, способствуя их релаксации. Микротрещины также позволяют зернам или кристаллам более свободно расширяться, благодаря чему в прилегающих к ним зонах уровень термических микроструктурных напряжений ниже. Характер влияния трещин зависит от их ориентации по отношению к возникающим термическим напряжениям.

Разрушение материала начинается с зарождения трещины и последующего роста зародившихся или уже имеющихся в материале трещин. Наличие в материале трещин может быть связано с технологией его получения, в частности, для многофазных огнеупорных материалов характерно возникновение трещин при отрыве связки от зерна [2].

Рассматривая разрушение при изгибе балки из хрупкого материала, можно выделить три стадии этого процесса. На первой стадии в материале происходит постепенное накопление энергии, приводящее к зарождению трещин или началу движения имеющейся трещины и дальнейшему контролируемому ее росту. Далее, на следующей стадии, происходит быстрый неконтролируемый рост трещины, на этот процесс расходуется часть запасенной в материале энергии. На заключительном этапе снова наблюдается контролируемый рост трещины вплоть до разрушения образца.

Впервые характеристики разрушения для сравнительной оценки сопротивления материалов под действием термического удара были использованы Хассельманом, предложившим критерии термостойкости RIII и RIV[4] .

RIII - представляет собой минимум имеющейся в момент разрыва упругой энергии. Чем выше R , тем меньше энергии способен накапливать материал при термическом нагружении и тем меньше, следовательно, будет степень его разрушения. RIV - показывает минимум степени распространения трещины в начале разрыва. Для плоского напряженного состояния:

 

RIII=E*σ-2 (8)

RIV=E* уэф σ-2 (9)

 

Для плоской деформации:

 

RIII=E/( σ 2*(1-μ)), (10)

RIV= RIII *yэф, где (11)

 

Уэф-эффективная поверхность энергии разрушения.

Критерий типа RIV относится к материалам с микротрещиноватой структурой. Однако в нем не учитывается зависимость разрушения от формы зерен, их взаимного расположения и свойств фаз, слагающих гетерогенный материал, от которых, как известно, термостойкость существенно зависит.

На механику разрушения материала существенное влияние оказывает микроструктура материала. Грубая межзеренная пористость оказывает сравнительно малое влияние на критический коэффициент интенсивности напряжений, в основном стремясь понизить его. Межзеренные поры, как правило, не задерживают движение трещины.

Сферические поры могли бы задерживать движение трещины посредством ее локального затупления в местах, где трещина пересекает пору.

Для характеристики термической стойкости тел с микротрещиноватой структурой обычно определяют характерные перепады температур: ΔTI - перепад температур, необходимый для зарождения трещин, и ΔTII - перепад температур, необходимый для распространения трещин.

Одним из способов повышения термостойкости является повышение вязкости разрушения. Вязкость разрушения огнеупорного материала может быть повышена за счет введения в оксидную матрицу в качестве препятствия распространению трещины второй фазы. Если при этом действительно наблюдается торможение трещины, то она стремится изогнуться между частицами, а это повышает напряжение распространения трещины. Предположение о возможности такого явления искривления трещины было впервые выдвинуто Лангом и подтверждено затем с помощью модуляции ультразвука Грином и др.

Разница температурных коэффициентов линейного расширения включения и матрицы приводит к большим термическим напряжениям на межфазной границе, которые возникают при охлаждении после обжига. Разница же модулей сдвига G включения и матрицы приводит к механическим напряжениям на поверхности раздела в результате приложения напряжения. Они могут достигать значительной величины, способствовать повышению термостойкости.

Указывается, что для достижения максимальной термической стойкости должно быть соблюдено следующее условие подбора компонентов:

α1>α2, при E1<E2;

α1<a2, при Е1>Е2,

где α1,α2 коэффициенты термического расширения первой и второй фазы соответственно;

Ei, E2 -модули Юнга первой и второй фазы соответственно.

Появлению остаточных напряжений вблизи границ зерен в процессе охлаждения материала способствует также анизотропия физических свойств, и, в частности теплового расширения. Эти напряжения приводят к формированию развитой микротрещиноватой структуры, которая, как уже отмечалось, характеризуется высоким значением вязкости разрушения.

Выбор или создание материала с требуемой термостойкостью для данных условий службы представляет собой довольно сложную задачу. Вследствие наличия и сложности взаимодействия множества факторов, воздействующих на процесс термического разрушения твердых тел, единую теорию термостойкости не сформировали [3].

 

1.2 Свойства кордиерита

 

Кордиерит(2MgO 2Al2O3 5 SiO2) - материал с низким температурным коэффициентом линейного расширения, способностью противостоять резким перепадам температур, высокой химической стойкостью, диэлектрическими свойствами. Сочетание высокой термостойкости с диэлектрическими свойствами позволяет использовать кордиеритовые изделия в качестве жаростойких электроизолирующих материалов. Кордиеритовая керамика применяется также в качестве носителей катализаторов для очистки выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания, в фильтрах для очистки воды и т.д.

Физические свойства кордиеритовой керамики имеют следующие значения: плотность 1,6 - 2,55 г/см3, ТКЛР (1,97 - 3,56) * 10 -61/ С,(диапазон температур 20 - 700 °С), прочность при изгибе 55 - 100 МПа, Водопоглощение 4,5 - 15%, пористость 1,2 - 38%, диэлектрическая проницаемость 4,5 - 5,5, термостойкость 850 - 1000 С [5].

Кварцеподобный метастабильный твердый раствор состава кордиерита обладает гексагональной элементарной ячейкой (а0=5,200, с0=5,345 А), плотностью 2,59 г/см3, средним показателем светопреломления 1,550 , т.е. таким же как и у кордиеритового стекла, и двупреломлением 0,009.

Тепловое расширение мало, для состава кордиерита коэффициент линейного расширения α составляет 4,72 *10 -6 град -1. Для кордиеритового стекла ρ=2,32 г/см3, а α = 7,0*10 -6 град -1.

Свойства стекла кордиеритового состава изучены. Выше 1573 К метастабильные кварцеподобные твердые растворы быстро и необратимо переходят в равновесные фазы. С понижением температуры скорость данного перехода уменьшается, зависит она также и от состава. Кварцеподобный твердый раствор кордиеритового состава (μ - кордиерит) переходит в α - кордиерит при 1283 К меньше, чем за 5 минут, а при 1198 К только через 36 ч.

Свойства кордиерита, в связи с его значением для минералогии и техники (низкие коэффициенты теплового расширения, высокие электроизолирующие свойства, детально изучены. Кристаллическая структура кордиерита построена из шестичленных колец, образованных тетраэдрами [(Si,Ai)O4], соединенных вершинами. Кольца сочленяются двумя общими атомами кислорода, между которыми образуется большой полый канал. Такие колонны колец соединяются атомами алюминия (находящимися в тетраэдрических позициях) и магния ( в октаэдрических позициях). При искажении колец симметрия Mg2Al4Si5O18 понижается. Структура кордиерита соответствует формуле Al3Mg2(Si5Al)О18.

Изучение полиморфизма кордиерита привело к открытию гексагональной его формы - индиалита, в которую переходит ромбический кордиерит при нагревании. Обнаружены две ромбические (низко- и высокотемпературные) формы кордиерита и две формы гексагонального индиалита. Из расплава первым кристаллизуется α-индиалит, который при охлаждении медленно переходит в ромбический кордиерит. Высокотемпературный β-кордиерит получен в гидротермальных условиях при температуре ниже 1103°К. Детальное изучение изменений Mg2Al4Si5O18 при нагревании показало, что существуют промежуточные фазы между гексагональным индиалитом и псевдогексагональным (ромбическим) кордиеритом. При высоких температурах кордиерит непрерывно превращается в индиалит, что характерно для превращений типа разупорядочение-упорядочение. Установлено, что упорядочение в Mg2Al4Si5O18 зависит от температуры.

Максимальное упорядочение для образца природного кордиерита наблюдалось при 1373°К и выдержке 1,5 ч. Индиалит в виде β-формы образуется ниже 1673 °К, а α-индиалит выше этой температуры. Превращение в ромбическую форму связано с частичной аморфизацией Mg2Al4Si5O18. Для всех указанных процессов характерно незначительное изменение молярного объема Mg2Al4Si5O18, что обусловлено «рыхлой» структурой этого соединения, проявляющейся в низкой парциальной плотности кислорода. Последнее вызывает значительные перестройки без изменения объема, но сказывается на изменении величин констант элементарной ячейки.

В природном кордиерите констатирован недостаток кислорода по сравнению с формулой. Часть групп [SiO4] замещается на группы [ОН]4. В кордиерите также могут быть щелочи и другие компоненты. При давлении до 10 кбар в кристаллическую решетку кордиерита входит до 2,75% Н2О, что сопровождается повышением показателей светопреломления. При лавлении 10 кбар, температуре 1173°К и выдержке 5 ч решетка кордиерита поглощает большие количеста аргона, чем воды. Средний показатель светопреломления кордиерита, насыщенного аргоном, равен 1,547, тогда как на воздухе - только 1,523.

Атомы кальция, наоборот, из-за слишком большой их величины входят в решетку кордиерита в незначительных количествах.

Кордиерит получен в ХIХ столетии при изучении кристаллизации андезитовой ма

Похожие работы

< 1 2 3 4 > >>