Введение к работе
Актуальность работы. Обжиг - одна из основных стадий технологии керамических изделий. При обжиге в процессе спекания происходит окончательное формирование их фазового состава и структуры. Высокая себестоимость этого передела обусловлена применением высоких температур и использованием не всегда оптимальных режимов обжига. Разработка экономичных режимов возможна только на основе научного обоснования. В настоящее время важнейшие положения теорий спекания для решения прикладных задач используются недостаточно широко. Физико-математическое описание процесса спекания и прогнозирование структуры керамики с учетом свойств исходного порошка дает дополнительные возможности сокращения объема эксперимента. Это особенно важно при разработке новых материалов и технологий изделий из них, которые связаны с необходимостью оптимизации температурного режима обжига, т.к. эмпирический подбор режима обжига требует значительных затрат времени и энергии.
Цель работы: разработка методики расчета температурно-временных режимов обжига керамики на основе общей объемной модели спекающегося пористого порошкового тела, учитывающей неизменность механизма массопере-носа в течение всего процесса спекания данного материала, физико-химические свойства вещества, дисперсность частиц, исходную пористость, размеры и теп-лофизические свойства тела, и проверка адекватности расчетной методики эксперименту на примере нескольких материалов, спекающихся по различным механизмам: объемной диффузии, чисто вязкого течения и вязкого течения с учетом кристаллизации расплава.
Научная новизна: 1. Составлена последовательность стадий изменения геометрии межчастичного контакта и поровой структуры модели порошкового тела при его уплотнении на основе простой кубической упаковки с координационным числом частиц 6 и кубической объемно-центрированной упаковки с координацион-
:Ли(
ным числом частиц 8. Предложены пЬо^дан$$вЦща додели структуры по-
оэ то «kv J.7 і
рошкового тела на промежуточных стадиях его спекания.
-
Описан процесс уплотнения и усадки при спекании тела, моделируемого ячейками с одной из таких упаковок, с помощью кинетических уравнений, параметры которых имеют ясный физический смысл физико-химических свойств вещества и структурных характеристик материала: удельная поверхностная энергия, коэффициенты диффузии, вязкость, мольный объем, параметры кристаллической ячейки, размер частиц фаз, объемные доли фаз и т.д.
-
Предложена методика расчета продолжительности спекания порошковой заготовки до плотноспекшегося состояния с учетом исходной пористости тела, дисперсности порошка, процесса рекристаллизации поликристаллических материалов и наличия включений дисперсных фаз в аморфных (стеклообразных) материалах, а также продолжительности прогрева тела в зависимости от его теплофизических свойств.
-
Доказана адекватность методики с использованием справочных и литературных данных: по разработанной методике описано спекание нескольких поликристаллических, аморфного и стеклокристаллического материалов при различных температурах, полученные результаты согласуются с литературными и собственными экспериментальными данными.
Практическая значимость:
-
Разработана методика расчета температурно-временного режима обжига изделий из материалов разной природы на основе физико-химических свойств вещества, дисперсности частиц, исходной пористости, размеров и теплофизических характеристик тела.
-
С использованием разработанной методики оптимизирован режим обжига проходных печных изоляторов из стеклокристаллической керамики "кварцаль" в промышленной электрической печи, что обеспечило экономию электроэнергии до 50%.
-
Разработана лабораторная технология прозрачной корундовой керамики из особо чистого порошка корунда, включающая гидролиз алкоксида алюминия и обжиг по режиму, рассчитанному с помощью разработанной методи-
ки.
На защиту выносится:
пространственная модель эволюции структуры порошкового тела в ходе спекании, включающего несколько последовательных стадий;
расчетная методика разработки режимов обжига плотной керамики;
расчеты процесса уплотнения спекающихся по различным механизмам материалов - корунда, периклаза, диоксида циркония и диоксида урана (объемная диффузия с учетом роста кристаллов), порошка стекла (вязкое тече-
' ние), стеклокристаллической керамики (вязкое течение с учетом кристаллизации);
проверка адекватности расчетов с помощью собственных и литературных данных о спекании плотной керамики их указанных материалов;
результаты оптимизации режима обжига изделий в производственных условиях с помощью предлагаемой методики;
лабораторная технология дисперсного порошка корунда с добавками и прозрачной керамики из него, включающая обжиг по режиму, разработанному согласно предложенной методике.
Апробация работы Результаты работы доложены и обсуждены на XII Международной конференции молодых ученых по химии и химической технологии МКХТ-98, Москва, 1998; на XIII Международной конференции молодых ученых по химии и химической технологии МКХТ-99, Москва, 1999; на XVI Международной конференции молодых ученых по химии и химической технологии МКХТ-2002, Москва, 2002.
Публикации По теме диссертации опубликованы 2 статьи, тезисы 3 докладов, получен патент РФ.
Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, 4-х глав, общих выводов по работе, списка использованной литературы, включающего 160 наименований, и
