Transcript ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПОРИСТОЙ КЕРАМИКИ

Технология производства
неорганических пористых
материалов
Составитель: д.т.н. И.А.Христофорова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
ПОРИСТОЙ КЕРАМИКИ
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
ПОРИСТОЙ КЕРАМИКИ
Вопросы
1. Введение
2. Классификация пористой керамики
3. Методы получения пористой
керамики
Классификация пористой керамики
По виду основного сырья и фазовому
составу:
- кремнеземистая;
- алюмосиликатная;
- магнезиальная;
- оксидная;
- бескислородная.
Классификация пористой керамики
По методу порообразования:
- подбор зернового состава
узкофракционированного наполнителя;
- введение и последующее удаление
добавок, оставляющих поры;
- введение отдельно приготовленной пены;
- газооборазование при химическом
взаимодействии компонентов;
Классификация пористой керамики
По методу порообразования:
- формирование волокнистых материалов
со связующим;
- вспучивание массы в ходе термообработки;
- введение органического удаляемого при
обжиге ячеистого носителя.
Классификация пористой керамики
По строению:
- изделия с зернами заполнителя;
- ячеистые;
- волокнистые
Классификация пористой керамики
По внешнему виду:
- изделия формованные штучные;
- изделия неформованные.
Классификация пористой керамики
По пористости и плотности:
- низкоплотные (30-45 % пористости);
- легковесы (45-75 % пористости);
- ультралегковесы (> 75 %).
По огнеупорности:
- неогнеупорные (< 1580 ºС);
- огнеупорные (1580 – 1770 ºС);
- высокоогнеупорные (1770 – 2000 ºС);
- высшей огнеупорности (> 2000 ºС).
Классификация пористой керамики
По назначению:
- теплоизоляционные;
- теплозащитные;
- проницаемые.
По месторасположению в кладке тепловых
агрегатов:
- открытая изоляция;
- защищенная изоляция.
Методы получения пористой
керамики
Использование узкофракционированных
зерен заполнителя
Введение и последующее удаление добавки
Использование волокнистых материалов
Вспучивание в ходе термической обработки
Степень вспучивания:
КВ = V2/V1 = ρ1(1 - а/100) / ρ2
МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ
ПОРИСТОЙ КЕРАМИКИ
Вопросы
1. Пенометод
2. Физико-химические основы
формирования пены
3. Технологические режимы
формирования пенокерамики
4. Химическое пенообразование
5. Использование полимерного ячеистого
носителя
Уравнение Гиббса
Г = (С/RT) ∙ (dσ/dС),
где Г – показатель адсорбции;
С – концентрация;
σ – поверхностное натяжение.
Образование устойчивой пены:
dσ/dС – отрицательная величина.
- dσ/dС – поверхностная активность
Скорость роста пузырька:
dr/dτ = 3(P∙r - 2σ)/8η,
где Р – давление в элементарном пузырьке;
η – вязкость вспениваемой массы;
σ – поверхностное натяжение;
τ – время;
r – радиус пузырька.
Условие роста пузырька Р>2σ/r.
Зависимость плотности пеномассы
от влажности исходной суспензии
1 – 5 – условные
объемы пены на
100 гр. порошка
Химическое порообразование
1. Реакции между карбонатами и кислотами:
CaMg(CO3)2 + 2H2SO4 = CaSO4 + MgSO3 + 2H2O + 2CO2↑;
3CaMg(CO3)2 + 4H3PO4 = Ca3(PO4)2 + Mg3(PO4)2 + 6H2O+ 6CO2↑
2. Реакции между некоторыми металлами и
кислотами или основаниями с выделением
водорода:
2Al + 2NaOH + 2H2O = Na2O + Al2O3 + 3H2↑;
Al + 3Ca(OH)2 + 6H2O = 3 CaO + Al2O3 + 3H2↑;
Al + 3HCl = AlCl3 + 1.5 H2↑
Требования, предъявляемые к
газооборазователям
равномерное выделение возможно
большего объема газа в нужном
температурном интервале;
химическая стойкость при хранении;
отсутствие токсичности;
доступность и дешевизна.
СТРУКТУРА ПОРИСТОЙ
КЕРАМИКИ
Вопросы
1. Характеристика пористой структуры
2. Влияние различных факторов на
пористую структуру керамики
3. Влияние состава шихты на пористую
структуру
4. Виды структуры, объемно-сетчатая
модель
Характеристики поровой структуры
Общая (истинная) пористость:
- закрытая пористость;
- открытая пористость:
а) сквозная (эффективная, проницаемая)
пористость;
б) несквозная (непроницаемая) пористость.
2. Проницаемость.
3. Величина пор и их распределение по размерам.
4. Форма пор.
5. Удельная поверхность.
6. Степень анизотропности.
Форма пор в пористых изделиях
1 – закрытые поры; 2 – открытые проницаемые поры;
3 – открытые тупиковые поры
Факторы, влияющие на пористую
структуру
Метод изготовления.
Консолидация.
Размер и форма зерен наполнителя.
Наличие органического пластификатора.
Условия термообработки.
Зависимость размера пор от исходных
технологических параметров
Соотношение зерен заполнителя и связки:
1) 50:50; 2) 60:40; 3) 70:30; 4) 80:20; 5) 90:10.
Строение пористой керамики
а)
б)
в)
а) прессованная керамика; б) керамика с выгорающими
добавками; в) пенокерамика.
Виды структуры при введении
волокон
с хаотическим (неупорядочным)
расположением волокон;
с упорядочным расположением
волокон;
с комбинированным расположением
слоев и волокон
ПОРИСТАЯ КЕРАМИКА
ЗЕРНИСТОГО СТРОЕНИЯ
Вопросы
1. Пористая керамика зернистого строения
2. Ячеистая керамика со спекшимся
каркасом
3. Ячеистая керамика, не имеющая
спекшегося каркаса
4. Свойства пористой керамики
Пористая керамика зернистого строения
обладает каркасом, создаваемым зернами
наполнителя,
сцементированного
связкой.
Характеризуется:
- порами неправильной формы;
- отсутствием закрытых пор.
Непрерывной является газовая фаза,
прерывистой – твердая фаза.
Ячеистая керамика со спекшимся каркасом
характеризуется
наличием
плотных
спекшихся перемычек и сферических пустот.
Керамика
обладает
следующими
характеристиками:
- высокой пористостью;
- высокой прочностью;
- повышенной теплопроводностью;
- невысокой термической прочностью;
- низкой газопроницаемостью.
Ячеистая керамика, не имеющая спекшегося
каркаса, обладает частично спекшимися
пористыми перемычками и сферическими
пустотами.
Характеризуется:
- высокой и сверхвысокой пористостью;
- невысокой прочностью;
- умеренной проницаемостью;
- пониженной теплопроводностью;
- высокой термостойкостью.
Свойства пористой керамики
Свойства зависят от следующих факторов:
1) минерального состава керамики;
2) пористости;
3) строения.
Свойства:
1) истинная плотность;
2) огнеупорность;
3) ТКЛР;
4) общая пористость;
5) проницаемость;
6) прочность;
7) ползучесть;
8) теплоемкость.
Теплофизические свойства
пористой керамики
Вопросы:
1. Теплопроводность.
2. Термическая стойкость и
термостабильность.
Теплопроводность − важнейшее
свойство пористой керамики,
характеризующее эффективность ее использования в
качестве теплоизоляции и
теплозащиты. Теплопроводность
для данной твердой фазы
целиком определяется пористостью и строением тела.
На теплопроводность пористой
керамики оказывают влияние
следующие факторы:
вид твердой фазы,
пористость,
строение,
температура,
вид заполняющего поры газа.
Рис. 1.
Зависимость
теплопроводности пенокерамики от природы твердой
фазы и температуры
(пористость
керамики
около 60%)
Рис.2
Зависимость
теплопроводности от пористости
(средняя
температура
образцов
800 ºС).
Имеются теоретически рассчитанные и
эмпирические выражения, связывающие
теплопроводность и пористость. К
сожалению, основанные на идеализированных схемах структуры керамики
расчетные уравнения типа
λ = λ1 – (1,7 – ρ/ρ1) ∙ ( λ1 − λ2),
где λ, λ1, λ2 − коэффициенты теплопроводности соответственно пористого тела,
компактного тела и воздуха; ρ и ρ1 —
плотности пористого и компактного тел
— недостаточно согласуются с экспериментальными данными и поэтому
ограниченно пригодны.
Влияние метода изготовления на
теплопроводность керамики
Таблица 1
Чем ближе строение тела к идеальной
модели с непрерывной газовой фазой,
тем ниже теплопроводность и
меньше ее зависимость от химической природы материала. Особенно
четко это наблюдается в порошкообразной теплоизоляции, где спеченные контакты зерен вообще отсутствуют.
Из термических свойств, зависящих от
пористости, наиболее важными представляются термическая стойкость и постоянство в службе при высоких температурах.
Высокопористая керамика весьма чувствительна к термическим ударам, что
связано с ее низкой теплопроводностью и
малой прочностью по сравнению с плотными изделиями при равном значении
ТКЛР.
Таблица 2
Взаимосвязь термостойкости с некоторыми параметрами высокопористой
пенокерамики
Радикальным средством повышения
термостойкости является изменение
строения пористого изделия
введением зернистого наполнителя.
Например, бадделеитовая пенокерамика разрушается при первой же
теплосмене, а зернистая керамика с
выгорающими добавками при такой
же пористости выдерживает до 15
циклов нагревания и охлаждения.
Комплекс изменений, происходящих
с пористыми материалами при их
эксплуатации называется старением, для
разных по природе изделий может включать: 1) рекристаллизацию, 2) потерю
массы вследствие испарения или разложения, 3) изменение фазового состава за
счет окисления или других видов взаимодействия с газовой атмосферой.
Эти изменения оказывают заметное
влияние на другие рабочие характеристики керамики — прочность, теплопроводность и т. п.
Изготовление пористой
керамики
Вопросы:
1. Операции технологического процесса
изготовления.
2. Технология производства шамотных
теплоизоляционных изделий при введении
выгорающих добавок.
3. Производство пеношамотных изделий
Этапы изготовления пористых
керамических изделий
1) первичная переработка и подготовка основного сырья
— тонких фракций используемых материалов; зернистых
заполнителей желаемых размеров; волокнистых
материалов; улучшающих и регулирующих спекание
добавок, если таковые используются;
2) выбор и подготовка порообразователей - выгорающих
добавок, пено- и газообразователей, а также стабилизаторов ячеистой структуры;
3) дозировка исходных компонентов по заданной
рецептуре;
4) приготовление масс, соответствующих выбранному
методу формования — пресс-порошков, шликеров,
ячеистых и волокнистых композиций;
Этапы изготовления пористых
керамических изделий
5) формование заготовок заданных размеров и
конфигураций, включая разливку в формы
ячеистых масс, в том числе вспучиваемых
химическим путем непосредственно в формах;
6) сушка и переворачивание ячеистых заготовок;
7) термическая обработка по принятому для
каждого конкретного изделия режиму;
8) механическая обработка (резка, шлифовка) в
тех случаях, когда это необходимо;
9) сортировка и упаковка.
Перечень литературы , использованной при подготовке материала
1. Технология строительной керамики: Учебное пособие:/ И.И.
Мороз. – М.: Эколит, 2011. – 384 с.
2. Химическая технология керамики / Под ред. проф. И.Я.
Гузмана. − М.: ООО РИФ «Стройматериалы», 2003. − 496 с.
3. Онацкий С.П. Производство керамзита. М.: Стройиздат, 1987.
4. Каленов Е.М. Повышение качества керамзита. Киев: Высшая
школа, 1984.
5. Нехорошев А.В. и др. Ресурсосберегающие технологии
керамики, силикатов и бетонов. Структурообразование и тепловая
обработка. М.: Стройиздат, 1991.
1. Беркман А.С., Мельникова И.Г. Пористая проницаемая
керамика. − Л.: Госстройиздат, 1969. − 141 с.
2. Гузман И.Я. Высокоогнеупорная пористая керамика. М.:
Металлургия, 1971.
3. Бурлаков Г.С. Основы технологии керамики и
искусственных пористых заполнителей. М.: Высшая
школа, 1972.
4. Смирнова К.А. Пористая керамика для фильтрации
и аэрации. М.: Стройиздат, 1968.
3. Электронные ресурсы.
1. Журнал «Огнеупоры и техническая керамика».
2. Журнал «Стекло и керамика».