Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Сушка, обжиг, плавление в технологии тугоплавких неметаллических и силикатных материалов. Учебное пособие
.pdf
41
2. Определите, к какому слову/словам относится та или иная
форма прилагательного «последний» в примерах из текстов
пособия:
1. В большинстве рассматриваемых нами систем диссоциация –
важнейший этап подготовки твердофазного синтеза, который и
обеспечивает возможность протекания последнего. 2. В
пересыщенном расплаве в результате случайных соударений ионов
образуются центры кристаллизации, которые постепенно
увеличиваются в размере в результате диффузии ионов из расплава к
граням зародыша кристалла через пограничный слой жидкости и
захвата последних этими гранями. 3. Сушку материала осуществляют
либо до помола, либо одновременно с помолом в мельнице.
Последний способ более эффективен.
Лексико-грамматические модели
ЧТО способствует ЧЕМУ ЧТО обволакивает ЧТО
ЧТО предшествует ЧЕМУ ЧТО соприкасается С ЧЕМ
11. Твердофазное спекание
Твердофазные реакции зачастую сопровождаются процессами
спекания. В общем случае спекание – это самопроизвольно
происходящий при высоких температурах процесс получения из
слабосвязанного пористого, зернистого материала плотного и
прочного камневидного тела. С точки зрения структурообразования
при спекании происходит переход дисперсно-связанных
коагуляционных структур в конденсационные, т.е. спекание – это
процесс уплотнения материала (уменьшение пористости), роста
числа, площади и прочности контактов дисперсных частиц, что
приводит к упрочнению зернистого материала. Как правило, этот
процесс сопровождается уменьшением внешних размеров
спекающегося тела (усадкой). Термин «спекание» не обязательно
применять к изделию в целом. Так, при создании определенных
структур керамики (ячеистых и др.) стремятся достигать
максимального спекания отдельных участков (прослоек, оболочек)
без значительного общего уплотнения всего материала.
За основной признак спекания принимают повышение
плотности и механической прочности материала при обжиге.
42
Количественно этот процесс можно охарактеризовать либо
величиной относительной плотности
относительной пористости П
отн=П2/П1
(П1 и П2 – пористость до и
отн
=
каж/ист
либо
после спекания соответственно).
Сущность спекания состоит в самопроизвольном заполнении
при высоких температурах пор в зернистом спекающемся теле
вследствие массопереноса. При твердофазном синтезе в соответствии
с механизмом массопереноса такое спекание называют твердофазным
или диффузионным. Движущей силой процесса спекания является
стремление системы к минимизации своей поверхностной энергии за
счет уменьшения суммарной свободной внутренней поверхности, что
и достигается при заполнении веществом межзернового пространства
и внутризерновых пор.
Процесс спекания начинается с некоторого первичного
упрочнения порошков при нагревании, т.е. со срастанием
контактирующих частиц у точек их соприкосновения. По мере
повышения температуры все большее число атомов на поверхности
одной частицы попадает в силовые поля другой, с ней
соприкасающейся. Такие переходы являются началом образования
перемычки между ними. Вогнутая поверхность перемычки,
растягиваемой силами поверхностного натяжения, становится
участком повышенной концентрации вакансий, т.е. источником
вакансий. Остальная, выпуклая часть поверхности, сжимаемая
силами поверхностного натяжения, а также межкристаллическая
граница на участке контакта являются поглотителями вакансий.
Диффузионный поток атомов направляется на поверхность
перешейка и расширяет его. По мере заполнения объема пор системы
веществом, нарастающим на перешейках, характер протекающего
процесса меняется. Разрастающиеся перешейки начинают смыкаться,
и на некоторой стадии спекания система сообщающихся (открытых)
пор постепенно разделяется на изолированные (замкнутые) участки.
На заключительной стадии спекания в материале присутствуют в
основном уже только закрытые поры. В период перехода к
преимущественно замкнутой пористости, обычно начинающегося при
величине общей пористости порядка 10%, процесс уплотнения
замедляется, но не прекращается. Возможность зарастания замкнутых
пор также определяется диффузионным процессом. Вогнутая
внутренняя поверхность изолированной поры становится под
влиянием сил поверхностного натяжения источником повышенной
43
концентрации вакансий. Процессы объемной диффузии вакансий с
поверхности поры к направлениям внешней границы кристалла (если
пора находится внутри кристалла) и процессы поверхностной
диффузии по границе кристалла (если пора пересекает эту границу)
означают поступление вещества в пору и ее зарастание. При
определенных благоприятных условиях изолированная пора может
зарасти полностью. Однако этот процесс практически ограничивается
двумя факторами: увеличением давления газовой фазы в
зарастающей поре, из которой газ не имеет выхода, и малой
скоростью объемной диффузии вакансий к границе от внутренних
пор, расположенных на значительном расстоянии от внешней
поверхности.
Процесс диффузионного спекания можно интенсифицировать
повышением степени дисперсности исходного материала,
применением «активизированного» сырья, т.е. имеющего
повышенную дефектность кристаллического строения, введением
добавок, образующих твердые растворы с основным компонентом
смеси, что также ведет к повышению дефектности кристаллов.
Специфическими вариантами твердофазного спекания
являются спекание за счет пластической деформации под давлением
и реакционное спекание за счет протекания химических реакций.
Спекание под давлением или горячее прессование служит в
первую очередь для получения высокоплотных изделий из наиболее
трудно спекающихся материалов, не содержащих жидкой фазы. При
одновременном действии высокой температуры и приложении
значительного внешнего давления включается механизм
пластической деформации, и уплотнение тела существенно
ускоряется. Значительно возрастает и скорость диффузионного
течения, так как внешнее давление намного выше сил поверхностного
натяжения. Спекание под давлением способствует получению
максимальной плотности за короткое время обработки (не более 0,5-1
ч); дает возможность спечь материалы, практически неспекающиеся в
обычных условиях; возможность снизить температуру процесса на
200-300 оС. Снижение температуры и длительности спекания
позволяет устранить или уменьшить рекристаллизацию. Вместе с тем
горячее прессование дорого и сложно в аппаратурном оформлении,
требует использования достаточно сложных форм, которые быстро
изнашиваются при высоких температурах.
44
При реакционном спекании уплотнение достигается за счет
образования новой фазы или фаз в результате химических реакций
между компонентами массы и газовой среды. Повышение плотности
системы достигается при условии, когда продукты реакции имеют
большие массы и объем по сравнению с исходным твердым
компонентом. Например, реакция 3Si + 2N2 = Si3N4 протекает при
обжиге кремния в среде азота. Если кремний введен в композицию в
качестве связки зерен неактивного компонента, то при обжиге масса
и объем продукта (нитрида кремния) в промежутках между зернами
увеличиваются, и образуется более плотно упакованная структура,
что ведет к повышению плотности и прочности изделия. Сложность и
специфика этого вида спекания заключается в необходимости
интенсивного массообмена между материалом изделия и газовой
средой. Чем массивнее изделие, тем труднее доступ газа к
внутренним слоям. Этот вид спекания реализуется при изготовлении
изделий на основе карбида кремния и других бескислородных
соединений.
Вопросы к тексту 11
1. Что представляет собой спекание?
2. Каков основной признак спекания?
3. Какими средствами можно интенсифицировать процесс спекания?
4. В каких вариантах существует твердофазное спекание?
5. Каковы плюсы и минусы каждого из вариантов?
Задания к тексту 11
1. Назовите существительные, от которых образованы с помощью
суффикса –ист прилагательные со значением наличия признака
(по модели зернистый < зерно, ячеистый < ячея): пористый,
железистый, волнистый, гористый, морщинистый, ребристый,
кожистый, искристый.
2. Объясните словообразовательное значение прилагательных с
приставкой без-/бес- и суффиксом -н- (по модели бескислородный =
такой, у которого / в котором нет кислорода): беспроблемный,
безвизовый, безвыходный, безводный, бесконтрольный, бесконечный,
беспредельный, беспросветный, бесконфликтный, бесплановый,
бесполезный, бесприбыльный, безопасный, бессрочный,
45
бессистемный, бездефектный, бессолевой, бесформенный,
безымянный.
3. Определите, от каких существительных образованы с помощью
приставки меж-/между- и суффиксов -н-, -ов- или -скприлагательные: межпланетный, межзерновой,
межкристаллический, межконтинентальный, междугородний,
межинститутский, междурядный, межобластной, междуэтажный.
Сформулируйте самостоятельно словообразовательное значение
таких прилагательных.
4. Найдите слова-«родственники»: плотный, кристалл, пористость,
поверхностный, межзерновой, уплотнение, межкристаллический,
упрочнение, поверхность, высокоплотный, пора, прочность, зерно,
пористый, прочный, внутризерновой, рекристаллизация, плотно,
кристаллический, зернистый.
5. Укажите прилагательные, от которых образованы
существительные со значением отвлечённого признака (по модели
справедливость< справедливый, свежесть < свежий; помните, что
вариант -есть употребляется с производящей основой на -ж-, -ч-):
прочность, плотность, пористость, поверхность, скорость,
дисперсность, дефектность, возможность, длительность, сложность,
необходимость.
Лексико-грамматические модели:
ЧТО применяется К ЧЕМУ ЧТО получается ИЗ ЧЕГО
ЧТО направляется КУДА ЧТО разделяется НА ЧТО
ЧТО ограничивается ЧЕМ
12. Жидкофазный синтез и жидкофазное спекание
Жидкофазный синтез и жидкофазное спекание имеет место при
наличии в материале жидкой фазы (расплава). Химические реакции
между компонентами с появлением расплава резко
интенсифицируются. Скорость диффузии в расплаве намного выше,
чем в твердом теле. Многие соединения (например, трехкальциевый
46
силикат при обжиге цементного клинкера) могут образовываться
только при наличии расплава.
Жидкофазный синтез новых соединений характерен для всех
областей технологии ТНСМ. Механизм этого процесса заключается в
том, что часть соединений, в том числе и вновь образовавшихся в
результате твердофазных реакций, переходит в жидкую фазу
(расплавляется). Полученный расплав способен растворять
нерасплавленные материалы и в первую очередь несовершенные
кристаллы. В результате образуется жидкая фаза, пересыщенная по
отношению к определенным соединениям. В пересыщенном расплаве
в результате случайных соударений ионов образуются центры
кристаллизации, которые постепенно увеличиваются в размере в
результате диффузии ионов из расплава к граням зародыша кристалла
через пограничный слой жидкости и захвата последних этими
гранями с последующей их строгой ориентацией в соответствии со
строением формирующейся кристаллической решетки. Кинетика
кристаллизации определяется в первую очередь температурой, а
также составом расплава и его свойствами - вязкостью и
поверхностным натяжением.
Появление жидкой фазы резко интенсифицируют спекание, и
такое спекание называют жидкофазным, оно наиболее
распространено в силикатной технологии. Появление при высоких
температурах жидкой фазы может быть обусловлено либо наличием
примесей (плавней) в исходном сырье, либо легкоплавкие минералы
(например, полевой шпат) или искусственно синтезированные плавни
(стекла) вводят в сырьевую смесь специально. При этом количество
расплава может меняться от долей процента (в специальной
керамике) до 20-30% и выше. Чем больше количество расплава в
системе, тем легче осуществляется синтез, тем полнее спекание, но
при этом возникает опасность деформации изделия и «свара»
зернистых материалов.
Механизм жидкофазного спекания состоит в том, что между
двумя твердыми зернами находится прослойка смачивающей
жидкости, приобретающая форму линзы.
47
Рис. 5. Изменение плотности и пористости керамики в процессе
обжига: (а): 1 - плотность, 2 - истинная пористость, 3 - открытая
пористость; модель жидкостного спекания; (б): без взаимодействия
(1) и при взаимодействии (2) между твердой и жидкой фазой
Если расплав хорошо смачивает зерна твердой фазы (а это
непременное условие жидкофазного спекания), то мениск жидкости в
межзерновом капилляре вогнут, поэтому поверхностное натяжение
вызывает появление избыточного давления, вектор которого
направлен в сторону центра кривизны:
Р = ж (1/R1 - 1/R2),
где ж – поверхностное натяжение расплава, R1 – радиус
вогнутой кривизны жидкости, R2 – радиус выпуклой кривизны
твердого зерна.
Это давление смещает жидкость из зоны контакта, что влечет за
собой сближение твердых частиц на некоторое расстояние L, т.е.
вызывает усадку материала. Скорость сближения зерен
(относительная усадка L/ Lо) пропорциональна поверхностному
натяжению ж, обратно пропорциональна вязкости жидкости и
размеру частицы r.
Данный механизм позволяет довести спекание до
непосредственного контакта между твердыми частицами, после чего
уплотнение прекращается (полное спекание). В такой схеме
предполагается, что твердая фаза абсолютно не растворяется в
расплаве, что на практике встречается редко. Если же растворение
происходит, то спекание не прекращается после контакта частиц.
Растворение контактных участков допускает дальнейшее сближение
48
зерен, при этом их поверхность сглаживается и получается более
плотная упаковка с низкой пористостью.
Вопросы к тексту 12
1. Какова главная особенность жидкофазного синтеза и жидкофазного
спекания?
2. В чём заключается механизм жидкофазного синтеза?
3. Чем определяется кинетика кристаллизации в условиях жидкофаз-
ного синтеза?
4. Чем обусловлено появление жидкой фазы при высоких температу-
рах?
5. Каковы плюсы и минусы большого количества расплава в системе?
Задания к тексту 12
В научном стиле речи чаще, чем в других ее стилистических
разновидностях, употребляются краткие прилагательные. Краткие
прилагательные в научном тексте называют не временный, а
постоянный признак предметов или явлений: Чистый этиловый
спирт бесцветен (всегда, при любых условиях); Фтор, хлор, бром
ядовиты (при любых условиях). Ср. в общелитературном языке: Иван
весел (сейчас) и Иван – весёлый (вообще).
1. Определите, от каких полных прилагательных образованы
краткие формы: характерен, разнообразен, распространено, вогнут,
способен, направлен, пропорциональна. Помните, что кр. форма
прил. образуется прибавлением к основе полн. формы род.
окончаний ед. ч. (муж. р. глух-Ø, синь-Ø; ж.р. глух-а, син-я; ср.р.
глух-о, син-е) и окончаний мн.ч. (глух-и, син-и).
2. Разделите краткие прилагательные на группы:
а) формы ед. ч. и мн. ч.: ясно, бесполезно, склонны, близко,
возможно, нужны, неизбежна, невозможно, должны;
б) формы муж., жен. и сред. р.:
равно, известен, подобна, должна, нежизнеспособна парадоксально,
характерно, должно, заметен, сильна, интересно.
49
3. Приведите полную форму муж. р. ед. ч. им. п. кратких
прилагательных: выгодны, тесна, непродолжительны, разнообразны,
активны, должны, редки, характерна, взаимосвязано, безразлично
4. Определите форму муж. р. ед. ч. им. п. положительной степени
прилагательных: меньшей, более активный, самых необходимых,
ниже, бóльшей, самые примитивные, высшими, выше, меньше.
5. Список содержит формы положительной, сравнительной или
превосходной степени разных прилагательных. Восстановите для
каждого слова все эти формы, например слабый – слабее/более
слабый – слабейший/самый слабый: важнейший, внешний, более
чувствительный, бóльший, более низкий, более качественный, выше,
больше, легче, полнее, более плотный.
Лексико-грамматические модели:
ЧТО переходит ВО ЧТО ЧТО доводится ДО ЧЕГО
ЧТО допускает ЧТО ЧТО определяется ЧЕМ
13. Рекристаллизация
Рекристаллизация – процесс роста одних кристаллов твердого
тела при его термической обработке за счет других кристаллов,
происходящий в твердой фазе. Рекристаллизация всегда сопутствует
твердофазному синтезу. Следствием этого процесса является
изменение размеров и числа кристаллов, т.е. изменение
микроструктуры твердого тела. Различают первичную (истинную) и
вторичную (собирательную) рекристаллизацию.
Первичная рекристаллизация представляет собой процесс, при
котором в результате термообработки в твердом теле, подвергнутом
пластической деформации, происходит образование центров
кристаллизации и последующий рост кристаллов, свободных от
искажений, за счет кристаллов, искаженных при пластической
деформации. Движущая сила рекристаллизации – стремление
системных кристаллов к уменьшению термодинамического
потенциала за счет снижения дефектности кристаллической решетки
и напряжений.
Вторичная рекристаллизация представляет собой
происходящий при термической обработке твердого тела процесс
неравномерного роста зерен – роста небольшого числа крупных
50
кристаллов за счет более тонкозернистой массы, т.е. небольших по
размеру зерен. Движущая сила процесса – стремление системы к
уменьшению внутренней энергии за счет уменьшения поверхностной
энергии, т.е. суммарной поверхности зерен.
Регулирование роста кристаллов имеет большое практическое
значение. От размера синтезированных кристаллов зависит
активность вяжущих материалов. С другой стороны, чрезмерный рост
кристаллов в керамическом черепке приводит к появлению вредных
напряжений на границах зерен.
Плавление как процесс встречается во всех силикатных
технологиях. В производстве цементного клинкера и традиционной
керамики плавление частичное, но оно оказывает решающее влияние
на жидкофазный синтез и жидкофазное спекание. Технология стекла
и глиноземистого цемента базируется на полном плавлении
обжигаемой шихты, и конечный продукт образуется из расплава.
Перевод сырьевой смеси в жидкое состояние обеспечивает более
высокую степень гомогенизации.
Все происходящие в расплаве процессы определяются
вязкостью и поверхностным натяжением жидкой фазы. Необходимо
учитывать, что при плавлении силикатных шихт параллельно
протекают два процесса – собственно плавление и растворение
отдельных компонентов смеси в расплаве.
Вопросы к тексту 13
1. Что называется рекристаллизацией?
2. Какой процесс считается движущей силой рекристаллизации?
3. Чем первичная рекристаллизация отличается от вторичной?
4. Каковы плюсы и минусы роста кристаллов при термической
обработке?
Задания к тексту 13
1. Дайте форму жен. р. ед. ч. им. п. полных прилагательных,
определите существительные, от которых они образованы
(модель предметному – предметная < предмет): твердофазному,
истинную, свободных, системных, поверхностной, вредных,
силикатных, цементного, жидкофазное, конечный, силикатных.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]