Бикбулатов В.Р
Бирская государственная социально-педагогическая академия, Россия
Якупова Л.В.
Башкирский государственный
педагогический университет, Россия
Композиционные материалы на основе фосфатных связующих. некоторые особенности и
закономерности их ползучести
Основные преимущества композиционных материалов (КМ) на
фосфатных связующих (ФС) в том, что они сохраняют постоянство объема,
обеспечивают высокие эксплуатационные свойства до температур их спекания,
позволяют прогнозировать специфические технические свойства, также осуществлять
выбор оптимальных составов в зависимости от конкретных условий их службы [1].
При
прогнозировании технических свойств таких материалов следует учитывать:
химический и минералогический состав компонентов, кинетику дегидратации
фосфатных связующих и фазовый состав новообразований, образовавшихся в
результате химического взаимодействия активных порошковых компонентов со связующими.
В
настоящее время отсутствуют систематизированные данные о зависимости
технических свойств фосфатных материалов от их состава и технологических
параметров изготовления [2, 3]. Мало данных о ползучести фосфатных материалов,
которая наиболее отчетливо проявляется у этих материалов при воздействии
высоких температур и внешних нагрузках, несмотря на то, что для обжиговых
керамических и огнеупорных материалов такие исследования в последние годы
проводятся. Данные о высокотемпературной ползучести безобжиговых материалов, и
в частности фосфатных, имеют особенное значение для выбора оптимальных режимов
их термообработки, обеспечивающих материалам требуемую деформационную
устойчивость в условиях службы.
Учитывая
это, были проведены экспериментальные исследования деформационных свойств
фосфатных материалов в процессе их нагрева под нагрузкой
и испытания на ползучесть, при воздействии постоянных температур (близких к
температуре начала размягчения материала под стандартной нагрузкой) и
напряжений (ниже предела текучести). Для проведения указанных исследований была
использована установка, позволяющие измерять изменения размеров цилиндрических
образцов методом одноосного сжатия в широком диапазоне температур и нагрузок [4].
В
качестве основных объектов для исследования были выбраны наиболее
термоустойчивые и широко распространенные фосфатные композиции [5]: алюмофосфатный
цемент типа тонкомолотый a-Al2O3-H3PO4
и композиционный материал на основе электрокорунда, тонкомолотого a-Al2O3
и H3PO4 85%-й концентрации или алюмохромфосфатного
связующего плотностью 1,65 г/см3.
Исследования
показали, что характер деформирования образцов цементного и корундового
составов при испытаниях на ползучесть значительно отличается от характера
деформирования традиционных обжиговых керамических и огнеупорных материалов
[1], так как фосфатные материалы являются более сложными объектами для исследования.
Это отличие обусловлено тем, что фазовый состав и структура этих материалов
претерпевают непрерывные изменения в процессе их нагрева выше температуры
отверждения, температуры предварительной их обработки.
Чем
выше температура предварительной обработки безобжигового материала, тем более
высокой стабильности достигает его структура и
материал становится более устойчивым к деформации ползучести. Этим и объясняются
сложности в установлении закономерностей ползучести этих материалов [1-3].
Можно выделить и общие факторы, которые наиболее существенно
влияют на величину деформации при ползучести, как традиционных обжиговых, так и
безобжиговых материалов на основе фосфатных связующих: ползучесть значительно
увеличивается при наличии в материале макропор и макротрещин; чем больше размер
зерна в материале, тем меньше граничных областей в нем и ниже скорость
ползучести; примеси и добавки нарушают однородность как обжиговых, так и
безобжиговых материалов и способствуют увеличению скорости ползучести.
Следует,
однако, отметить, что для фосфатных материалов действие этих факторов на
деформацию ползучести более существенно. Наблюдается значительно
большая величина деформации при ползучести на всех ее стадиях. Характер
деформирования таких материалов имеет свои особенности.
КМ
на ФС после предварительной термообработки при 3000С характеризуются
более длительным периодом неустановившейся ползучести (от 8 до 16 ч) по
сравнению с традиционными обжиговыми керамическими и огнеупорными материалами,
а скорость деформации на установившейся
стадии на 2-3 порядка выше.
Исследования,
показывающие влияние стеклофазы на ползучесть проведены для корундовой
композиции на ФС с добавкой в ее состав пирофиллита. Показано, что
высокотемпературная ползучесть композиции значительно возрастает при введении в
ее состав пирофиллита в количестве 5 мас.% и более.
Это обусловлено тем, что эта добавка увеличивает содержание SiO2 в
композиции и способствует образованию в ней легкоплавких пиро- и ортофосфатов кремния в
результате химического взаимодействия SiO2 и H3PO4.
Существенное
влияние на ползучесть фосфатных материалов оказывают технологические параметры:
вид и количество используемого связующего, размер зерна наполнителя, способ
формования и температура предварительной обработки материала [5].
Важное значение на характер ползучести оказывает размер зерна
наполнителя: если вместо тонкомолотого компонента в цементной композиции, термообработанной при
3000С,
использовать электрокорунд фракции
0,2¸1,0 нм, то
устойчивость ее к высокотемпературной ползучести возрастает, а величина
деформации уменьшается на 1-2 порядка, так как более крупные зерна электрокорунда
значительно затормаживают действие механизма проскальзывания зерен наполнителя
по их границам.
Наиболее
устойчивыми к ползучести оказались материалы, полученные способом полусухого
прессования. Причем, увеличение удельного давления прессование с 20 до 100 МПа
приводит к снижению, как самой деформации, так и ее скорости, в то время как образцы,
полученные трамбованием, имели наибольшую деформацию и максимальный временной
интервал деформируемости на неустановившейся стадии ползучести.
Повышенную устойчивость к ползучести фосфатных материалов по сравнению с
композиционными материалами на гидравлических вяжущих, можно очевидно объяснить
способностью первых к релаксации напряжений, обусловленной образованием тонкого
слоя переходного состава, разделяющего зерна наполнителя с образовавшейся
фосфатной связкой (цементным камнем).
1.
Копейкин В.А., Румянцев П.Ф. Некоторые аспекты
химической технологии фосфатных огнеупорных материалов. -В
кн.: Физико-химические и технологические основы жаростойких цементов и бетонов.
-М.: Наука, 1986. С.73-83.
2.
Шаяхметов У.Ш. Фосфатные композиционные материалы и
опыт их применения. -Уфа: РИЦ «Старая Уфа», 2001.
-150с.
3.
Копейкин В.А., Петрова А.П., Рашкован
Н.Л. Материалы на основе металлофосфатов. -М.: Химия,
1976. -200с.
4.
Шаяхметов У.Ш., Васин К.А., Валеев И.М. Установка для
определения деформации и ползучести жаростойких материалов // Огнеупоры и
техническая керамика. 2000. №5. С. 36-37.
5. Шаяхметов
У.Ш., Мустафин А.Г. Особенности высокотемпературной ползучести безобжиговых
керамических материалов. -Уфа: Изд-во БГПУ, 2001.
-164с.