Введение к работе
Работа посвящена исследованию теплофизических процессов, обеспечивающих структурные превращения при спекании и термических нагрузках в керамике.
Актуальность работы обусловлена потребностью повышения термомеханических свойств керамических материалов, использование которых чаще всего ограничивается развитием хрупкого разрушения при смене температуры эксплуатации. Для этого необходимо исследовать влияние способов термического активирования теплофизических процессов, формирующих структуру в керамике; определить возможности оптимизации режимов спекания, эволюцию структуры при термических нагружениях и эксплуатации керамики. Решение поставленных задач требует разработки методологии комплексного анализа связи структурных изменений с теплофизиче-скими и термомеханическими свойствами керамики.
В настоящее время разработаны подходы к исследованию формирования структуры керамики (В .Я. Шевченко, О.Л Хасанов, Г.С. Юрьев, Ю.П. Похолков B.C. Иванова, Г.Н. Масленникова, Р.А. Андриевский, А.В Беляков, B.C. Бакунов, Г.Я. Акимов), создаются модели тепло - и массопереноса в полифазных состояниях при высоких температурах (Т.Н. Дульнев, ВВ. Новиков, В.М. Лелевкин, В.Е. Семенов, А.В. Нехорошее, Ю.Н. Крючков, Ю.А Коваленко) и фазовых превращений при спекании керамики (Ю.В.Быков, СВ. Егоров, А.И. Рачковский, СМ. Баринов, В. И. Бабушкин, Ю.К. Щипалов, К.К. Стрелов), исследуются проблемы моделирования структуры в конструкционных материалах (В. Е. Панин, М.А. Корчагин, СВ. Панин); предложено более 20 критериев термостойкости и разработаны методы исследования ее термомеханических свойств (Г.Д.Семченко, Н.М. Бобкова, Г.А. Гогоци, Ю.И. Комоликов, СЮ. Пли-нер). В неудовлетворительном состоянии находится исследование эволюции структуры керамики, сформировавшейся при спекании, в процессе термических нагружений. Незначительное число работ посвящено анализу связи термомеханических свойств керамики со способностью структуры лиссипировать тепловую энергию, а также исследованию влияния теплофизических процессов на свойства керамических материалов.
Цель работы: 1) исследовать связь между тешюфизическими процессами, формирующими структуру керамики, и диссипацией энергии, обусловленной эволюцией структуры при термических нагружениях, 2) апробировать применение термофлуктуационной модели для анализа долговечности и термостойкости керамики; 3) установить параметры структуры, определяющие максимальную термостойкость керамики с различными типами структур; 4) оценить возможность управления процессом структурообразования, обеспечивающим повышение прочности, и оптимальную диссипацию энергии в процессах термического нагружения;
рос- н ,ч:<')іИ-"ьили
я ( ПегС|-иург
гооррк
5) разработать неразрушающий метод контроля структуры и термостойкости керамики, позволяющий получить керамику с заданными свойствами
Научная новизна. Впервые использована термофлуктуационная модель для определения термостойкости керамики из корунда и диоксида циркония; введен временной фактор для оценки долговечности, рассчитано эффективное время нахождения образца под действием напряжений в течение одного термоцикла с учетом пористости.
Построены трехмерные диаграммы, связывающие технологические процессы с формирующейся структурой и термомеханическими свойствами керамики.
Установлены доминирующие параметры структуры, определяющие термостойкость однофазной керамики и керамики, претерпевающей полиморфные превращения. Определены оптимальные пути эволюции структуры при термических нагрузках для этих типов керамики.
Выполнен газодинамический расчет микроволнового нагрева керамических корундовых образцов; показано, что, контролируя мощность микроволнового излучения, можно регулировать процесс спекания, обеспечивая протекание физических процессов с оптимальной интенсивностью.
Предложен способ армирования кремнеземистой керамики частицами карбида кремния, позволяющий вдвое повысить механическую прочность.
Разработан способ неразрушающего контроля структуры керамики, позволяющий контролировать состояние керамики после каждой технологической операции и оптимизировать функциональные характеристики.
Практическая ценность результатов: 1) получены трехмерные диаграммы связей «технология - структура — свойства» для оптимизации производства оксидной керамики; 2) показано, что термофлуктуа-ционный анализ позволяет оценивать долговечность термоциклируемой керамики; 3) разработана прочная армированная кремнеземистая керамика, дешевле других типов керамики с аналогичными функциональными характеристиками; 4) предложен новый способ неразрушающего контроля структуры керамики.
На защиту выносится:
1. Трехмерные диаграммы связей системы технология - структура
- свойства керамики, позволяющие планировать пути повышения тер
мостойкости оксидной керамики;
2. Метод определения долговечности и скорости разрушения
межатомных связей в термоциклированнои корундовой и циркониевой
керамике с помощью термофлуктуационной модели;
3. Результаты газодинамического расчета нагрева корундовых об
разцов в поле микроволнового излучения, доказывающие возможность
управления процессами спекания с целью получения материалов с за-
данными свойствами;
-
Модели оптимальной структуры керамики из частично стабилизированного диоксида циркония, испытывающей при термоциклиро-вании полиморфные превращения;
-
Способ повышения прочности кремнеземистой керамики путем армирования ее частицами SiC;
б.Результаты исследования структурных превращений в кремнеземистой керамике при термоударах;
7. Способ неразрушающего контроля структуры керамики после технологических операций и термических нагружений.
Апробация работы. Результаты работы докладывались, на Всесоюзном Совещании по программе «Рентген» (Черновцы - Ереван, 1987); Всесоюзной конференции «Физика прочности и пластичности» (Куйбышев -1989); VI Всесоюзной конференции «Физика разрушения» (Киев, ИПМ - 1990); 2 Всесоюзном Совещании по программе «Рентген» (Черновцы - Ереван -1989); 1 Всесоюзной школе-семинаре «Структурные и химические неоднородности в материалах (Киев- 1990); VI Республиканской конференции «Текстуры и рекристаллизация в металлах и сплавах» (Свердловск - Москва - 1991); Научной конференции, посвященной 60-летию КГУ (Бишкек - 1993); Конференции КГНУ секция «Химические науки» (Бишкек.- 1996); 2 Международном Научно-техническом семинаре «Нетрадиционные технологии в строительстве» (Томск - 2001) Международной конференции. «Моделирование процессов в синергетических системах» (Улан-Удэ-Томск -. 2002); XXVI Сибирском теплофизическом семинаре (Новосибирск -2002); 3-м Международном семинаре «Фракталы и прикладная синергетика» (Москва -2003), на Всероссийской конференции по проблемам керамического и композиционного материаловедения (Сыктывкар - 2004), на XXVII Сибирском теплофизическом семинаре (Новосибирск - 2004),V1 Intern-ftional workshop "Strong microwaves in plasmas LAPRAS", Nizhny Novgorod, Rossia, 25 julu-laugust 2005; 17 th International Symposium on Plasma Chemistry (August 7-12.2005, Toronto, Canada), Международном рабочем семинаре МНТЦ (Бишкек-Булан-Соготту), XV И Российской научно-технической конференции с международным участием «Нераз-рушающий контроль и диагностика» (5-11.09.2005, Екатеринбург).
Личный вклад автора. Все основные научные результаты диссертационной работы получены автором лично. На разных этапах работы исследования выполнялись совместно с коллегами, при этом личный вклад автора являлся определяющим и состоял в выборе направления, методов проведения экспериментальных исследований, обсуждении и написании статей.
Профессор В.М. Лелевкин принимал участие в постановке задачи и
обсуждении полученных результатов. Результаты, использованные в диссертации, опубликованные в соавторстве с А.Г Четвериковой, А.А. Скрипнико-вым, A.M. Скрынниковым, О.М. Зиновьевым, Н.К. Дыба, Т.А.Котляр, Я.И. Рудаевым, В.П. Макаровым, Д.И. Чашниковым, СИ. Мироненко, М Солтоновой, Е.М. Пак, И.П. Геращенко, А.Н. Айтимбетовой, получены при непосредственном участии автора Выводы диссертации и основные положения, представленные на защиту, принадлежат автору диссертации.
Достоверность полученных результатов обеспечена соблюдением требований, предъявляемым к стандартным методам экспериментальных исследований, статистической обработкой результатов, а также сопоставлением экспериментальных, теоретических и литературных данных.
Публикации. По результатам работы опубликовано 47 печатных работ, в том числе одна монография, 1 авторское свидетельство и две заявки на патент.
Структура и объем диссертации. Диссертация содержит 284 страницы текста, 92 рисунка, 13 таблиц, 240 библиографических ссылок.
