1.6 Двокомпонентна система

Є фундаментальною для керамічної технології; її діаграма стану, особливо важлива для интерпритаціі ряду фізико-хімічних процесів, що протікають при випалюванні, плавленні і кристалізації різних алюмосилікатних вогнетривів, і розуміння явищ, що відбуваються при взаємодії цих вогнетривів з різними агресивними середовищами, досліджувалася неодноразово. У першому варіанті діаграми стану системи, опублікованому Шепердом, Ранкина і Райтом, описувалося одну хімічну сполуку - синтетичний аналог природного мінерала силліманіта складу , або , плавиться конгруентно при 1860 °. Це з'єднання характеризувалося як утворююче дві евтектики з компонентами системи: з при 1810 ° і з при 1640 °. Однак зазначена Райтом вже в першій роботі деяка неоднорідність будови кристалів синтетичного «сілліманіта», що містили, як правило, включення ізотропного скла, а також відмінності в показниках світлопереломлювання між синтетичним і природним сілліманітом спонукали Боуена і Грейга призвести нове дослідження тієї ж системи. У варіанті Боуена і Грейга діаграма мала зовсім інший вигляд.

Утворивщійся хімічній сполуці була дана нова формула , і плавління описувалося як інконгруентне. З'єднання, внаслідок того що хімічний складу його виявився ідентичним природному мінералу, виявленому незадовго до опублікування роботи Боуена і Грейга на острові Мулл в Шотландії, було названо муллітом. На діаграмі стану замість двох евтектик залишилася одна і з'явилася нова, реакційна точка.

У іншому варіанті діаграми стану системи є один максимум, відповідний температурі плавління мулліта, і дві евтектики, утворювані цим з'єднанням з компонентами системи. Подальший прогрес у розвитку діаграми був досягнутий Тороповим і Галаховим при визначенні положення на діаграмі стану області твердих розчинів, утворених муллітом з глиноземом.

Рис.3- Діаграма стану системи

2. Трикомпонентна система

Діаграма стану системи вивчається з 1906 р. Компоненти її - доступні й добре вивчені речовини. При нормальному тиску в ній утворюються 2 трикомпонентні сполуки: , що відповідає мінералу геленіту, і - анортит.

У цій системі найвища температура плавління у CaO /2625 °С/, а міні- мальна - відповідає плавленню евтектики /1170 °С/, яку утворюють СS, і S /псевдоволастоніт, анортит і кристобаліт/. Склад її /виражений у масових долях/: 62,0% , 14,7 23,3% . Отже, інтервал плавлення становить 1455°С. Геленіт і анортит плавляться конгруентно відповідно при 1593 °С і 1553 °С. Геленіт має густину 3050 кг/ , тетрагональної симетрії, = 1,669; =1,658.

Коефіцієнт лінійного теплового розширення 8,6 , плавиться із збільшенням об’єму приблизно на 6%. Скло його складу має 2880 кг/ , N=1,638. Кристалічна структура галеніту побудована із здвоєних тетраедрів (Al,Si) , к.ч.(Ca)=8.В’яжучих властивостей геленіт не має. Він присутній у доменних шлаках у кількості близько 30%. Утворюється в алюмосилікатних /шамотних/ вогнетривах при дії на них вапна. У природі рідкісний, входить до мелілітів /тверді розчини галеніту і сполуки -окерманіту/. Спеціального прикладного значення галеніт не має. Анортит має кристалічну гратку у вигляді просторово каркаса із тетраедрів [(Al,Si) ] , для яких к.ч. (Са) = 6 і 7. У склі анортит має к.ч. (Al) = 6, а не 4. Кількість атомів алюмінію з к.ч. (Al) = 6 збільшується а температурою перегрівання розплаву, у зв’яаку з чим при швидкому охолодженні такого розплаву може кристалізуватися і корунд. Звичайною формою анортиту є тип польових шпатів, густина 2765 кг/ , =1,5685, 1,5832, 1,5755. Анортит плавиться із збільшенням об’єму приблизно на 2%. Скло його складу мав густину 2700 кг/ , N =1,5755.

Крім цієї стабільної форми відомі ще 2 форми : а/ гексагональна, утворюється відпалюванням скла при 1350 °С ів швидким охолодженням, або при нагріванні до 650 °С мінералу лаусоніту.

ромбічна форма утворюється із скла з додаванням альбіту близько 20% і відпалюванні при 950°С. Також переходить у триклінну форму при нагріванні до 700 °С, Анортит утворює з натрієвим польовим штатом альбітом безперервній ряд твердих розчинів - плагіоклазів.

Анортит утворюється при зношуванні шамотних вогнетривів у шахті і доменної печі. Синтетичний анортит /без домішок, особливо оксидів заліза/ починає використовуватися як тепло- і електроізоляційна кераміка. Тверді розчини анортиту і альбіту, багаті першим,- анортозити, становлять інтерес як плавень для будівельної кераміки.

Особливі потрійні точки, що утворюються за рахунок перетирання полів потрійної кристалізації позначених фаз, що містять геленіт( та інщі фази ), наведені в таблиці 1.

Таблиця 1. Характеристика особливих точок системи

№ п/п	Елементарні трикутники	Температура, °С	Характерні точки
1		1470	Подвійного підйому
2	A	1455	Подвійного підйому
3		1350	“
4		1335	Евтектика
5		1380	Подвійного підйому
6		1315	Подвійного підйому
7		1310	Евтектика
8		1265	Евтектика
9		1500	“
10		1475	Подвійного підйому
11		1360	Евтектика
12		1495	Подвійного підйому
продовження таблиці № 1
13		1512	Подвійного підйому
14		1345	Евтектика
15		1170	Евтектика

Тут є 3 «вставних» елементарних трикутника: 5,8,11. Всього утворюється 7 потрійних евтектичних точок : 4,7,8,9,11,14,15; 8 точок подвійного підйому:

1,3,5,6,10,12,13. Перевалочних точок (Ван-Рейна) у системі 7 , що утворюються перетинанням коннод:

1. 1350°С;

2. 1545°С;

3. 1512°С;

4. 1552°С;

5. 1385°С;

6. 1318°С;

7. 1307°С;

8. 1547°С;

9. 1368°С;

У системі є також невелика область лікваціі, що дотикаєтьоя до ребра при температурі 1707 °С. У ній може бути до 2,5% .Тверді розчини в цій системі поширені здебільшого в областях і ,у анортиті при 1368 °С розчинюється близько 8% , а в останньому - близько 5% анортиту, але з пониженням температури область цих твердих розчинів знижується практично до нуля уже при 1000 °С на основі кремнезему і до 3% у гірських породах.

Будова системи в субсолідусі описується 15 елементарними трикутниками, вершини яких наведені в табл. 1. їх взаємозв'язок подається топологічним графом, наведеним на рис. 4

У цій системі згадуються ще й нестабільні фази, наприклад, , що утворюються із розплаву чи при кристалізації скла відповідного складу , яка прикладного значення не має. При високих тисках в цій системі утворюйся 2 нові сполуки: гранат грасуляр кубічної сингонії, відомий як рідкісний мінерал,використовуваний ювелірами.

Система має винятково важливе практичне застосування в техніці. Область поблизу фаз і ( трикутники 1-4 і 9) основа виробництва портланд- і високоглиноземістих цементів. Області поблизу кремнезему (елементарні трикутники 14, 15) – безлужних стекол, вогнетривів ;динас -15; 13 – шамотні; вапнякові – 1; корундові - . 12; доменних шлаків -6. Экспериментально встановлено, що хороші вогнетриви конструкційного призначення повинні містити при температурі експлуатації (звичайно як мінімум 1600°С) не більше 10% розплаву, а «падіння конуса» при визначенні вогнетривкості (повинно бути не нижче 1580-1600°С) мне відповідати приблизно вмісту розплаву близько 40%.

Рис.4 Топологічний граф взаємозв’язку елементарних трикутників системи

Рис.5- Діаграма стану системи

3. Розрахункова частина

3.1 Розрахунок площі елементарних трикутників.

Для трикомпонентних систем положення точок визначається двома координатами (концентраціями компонентів). Приймаючи площу концентраційного трикутника таким , що дорівнює одиниці , відносна площа елементарного трикутника визначається обчисленням детермінанта матриці .

Таблиця 2. Координати положення точок (концентрація компонентів)

Фаза
	0,737	0,263	0
	0,622	0	0,378
	0,651	0,349	0
	0,485	0	0,515
	0,354	0	0,646
	0,409	0,219	0,372
	0,583	0,417	0
	0,483	0,517	0
	0,201	0,432	0,367
	0,215	0	0,785
	0,084	0	0,916
	0	0,282	0,718
C	1	0	0
A	0	0	1
S	0	1	0

Площа елементарного трикутника № 1 ) дорівнює:

Аналогічно розраховуємо площі решти 14 трикутників.

Таблиця 3. Площі елементарних трикутників

№ п/п	Елементарні трикутники	Площі трикутників, S( )
1		99
2	A	33
3		48
4		46
5		46
6		25
7		37
8		78
9		30
10		29
11		115
12		36
13		57
14		144
15		177