STABILITY OF CLAY COMPOSITES BASED ON EXPOSURE TO VARIOUS FACTORS
Лымарь Е.А.
Кандидат технических наук, ОАО «Российские космические системы», Москва
ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ ГЛИН К ВОЗДЕЙСТВИЮ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ
Аннотация
В работе исследована устойчивость композитов, полученных на основе каолинитовых, монтморилонитовых глин и алюминия, к воздействию агрессивных сред, ударных, динамических и сжимающих нагрузок. Установлено, что полученный материал обладает высокими физико-механическими и эксплуатационными показателями.
Ключевые слова: керамокомпозит, глины, алюминий, агрессивные среды, нагрузки.
Lymar E.N.
Candidate of engineering sciences, OJSC "Russian space systems", Moscow
STABILITY OF CLAY COMPOSITES BASED ON EXPOSURE TO VARIOUS FACTORS
Abstract
The article describes the research of resistance of composites produced on the basis of kaolin, montmorillonite clays and aluminum to aggressive environment exposure, shock, dynamic and compressive load. It was established that the derived material has high physico-mechanical and performance attributes.
Keywords: ceramocomposite, clays, aluminum, aggressive surroundings, loads.
При одновременном воздействии высоких температур, агрессивных сред, ударных, динамических и сжимающих нагрузок, известные керамические строительные материалы во многих случаях не могут обеспечить требуемую прочность [1 – 22], поэтому создание и внедрение новых высокоэффективных материалов, надежно работающих в экстремальных условиях, является актуальной.
Нами разработан керамометаллический композиционный материал на основе модифицированной глинистой составляющей и металлического наполнителя [23 – 26]. Исходным сырьем для получения композитов являлись глуховецкий каолин, краснояружская глина и алюминий. Разработана технология получения композиционного материала методом полусухого прессования с последующей сушкой и обжигом, главной особенностью которой является то, что металлический алюминий вводится в глинистую составляющую на стадии приготовления сырьевой смеси. В ходе исследований выявлен оптимальный состав композитов, включающий глинистый компонент и алюминий в количестве 80 и 20% соответственно.
За счет образующейся структуры (в основном благодаря тому, что в обожженной глине кристаллизуется муллит), материал обладает стойкостью к кислым, нейтральным и щелочным средам (табл 1).
Таблица 1 - Исследование материала на устойчивость к агрессивным средам
| Содержание алюминия, % | Масса композита до исследования, г | Масса композита после исследования, г | рН среды | Устойчивость композита к агрессивной среде, % |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| Композит, полученный на основе глуховецкого каолина | ||||
| 20 | 10,5 | 10,27 | < 7 | 97,8 |
| 20 | 10,7 | 10,7 | 7 | 100 |
| 20 | 9,8 | 9,57 | >7 | 97,7 |
| Композит, полученный на основе краснояружской глины | ||||
| 20 | 11,3 | 10,96 | < 7 | 97,0 |
| 20 | 11,3 | 11,3 | 7 | 100 |
| 20 | 11,6 | 11,25 | >7 | 97,0 |
Деформация керамометаллических композитов при высоких температурах в основном определяется их химико-минералогической природой, то есть химическим составом, характером распределения и количеством жидкой и твердой фаз, а также вязкостью расплава.
В разработанных керамометаллических композитах при повышении температуры непрерывно увеличиваются количество жидкой фазы и ее вязкость вследствие растворения в ней Al2O3 и SiO2. Поэтому их деформация под нагрузкой при высоких температурах имеет плавный пластический характер, образец не разрушается при испытании, а лишь приобретает боченкообразную форму. Температурный интервал деформации равен 150 – 250 °С.
Применимость керамометаллических композитов в тех или иных условиях службы зависит от характера изменения их свойств в области перехода от упруго-хрупкого состояния к вязкопластическому. При высоких температурах влияние пористости и состава связки на прочность оказывается сильнее в сравнении с влиянием этих факторов при обычной температуре.
При высоких температурах прочность при сжатии наиболее сильно зависит от свойств стекловидной фазы, а прочность при изгибе – от свойств кристаллических фаз.
Получаемый керамометаллический композит стоек к температурным колебаниям до 1000 °С, при более высокой температуре наблюдается резкое снижение сопротивления керамометаллического композита внешним нагрузкам.
Керамометаллический материал выдерживает 50 циклов нагрева до температуры 700 °С и резкого его охлаждения, 35 циклов нагрева до 900 °С и резкого его охлаждения, 22 цикла нагрева до 1000 °С и резкого его охлаждения без изменения его геометрических параметров (в случае отсутствия внешних нагрузок) и без образования микротрещин на его поверхности. Дальнейшее увеличение количества циклов эксперимента приводит к образованию микротрещин на поверхности керамометаллического композит, обусловленных возникновением в материале упругих и остаточных пластических деформаций. Установлено, что характер микротрещин не зависит от количества циклов эксперимента: с увеличением количества циклов, их геометрические размеры и степень распространения по структуре материала увеличиваются.
Полученный керамометаллический композиционный материал имеет однородную структуру и обладает высокими эксплуатационными показателями (табл. 2), которые достигаются благодаря эффективности процесса совмещения модифицированного глинистого компонента и алюминия.
Таблица 2. Основные физико-механические и эксплуатационные свойства керамометаллических композитов
| № п/п | Показатель | Керамометаллический композит, содержащий 20% алюминия, полученный на основе | |
| глуховецкого каолина | краснояружской глины | ||
| 1 | Воздушная усадка, % | 0,5 | 0,6 |
| 2 | Огневая усадка, % | 2,8 | 4,6 |
| 3 | Коэффициент чувствительности | 0,5 | 0,5 |
| 4 | Интервал спекания, °С | 1150–1300 | 950–1050 |
| 5 | Плотность, кг/м3 истинная кажущаяся | 1730 1650 | 1970 1740 |
| 6 | Пористость, % открытая закрытая | 4,6 1,5 3,1 | 7,4 2,1 5,3 |
| 7 | Водопоглощение, % | 1,9 | 2,6 |
| 8 | Прочность на сжатии, МПа | 170 | 130 |
| 9 | Прочность на изгиб, МПа | 47 | 34 |
| 10 | Модуль упругости, МПа | 8,8·104 | 7,2·104 |
| 11 | Ударная вязкость, кДж/м2 | 4,3 | 3,9 |
| 12 | Твердость по Бринеллю, НВ (10, 300, 10) | 78 | 65 |
| 13 | Морозостойкость, циклов | 80 | 80 |
| 14 | Термостойкость, циклов при 20 – 1000ºС | 22 | 22 |
| 15 | Химическая стойкость: Кислотостойкость, % Щелочестойкость, % | 97,8 97,7 | 97,0 97,0 |
Представленные характеристики керамометаллических композитов позволяют утверждать, что разработанные материалы, благодаря своим высоким эксплуатационным свойствам, могут быть использованы в качестве строительного материала для изготовления конструкций, работающих при температурах до 1000 °С и внешней нагрузкой до 170 МПа. Кроме того, разработанный керамометаллический композит может быть использован в качестве связующего при получении корундовых огнеупоров с пониженной температурой спекания.