Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технологические основы получения микросфер из тугоплавких оксидов в потоке термической плазмы. Монография
.pdf
4. Исследование состояний и свойств оболочки микросферы
111
Рис. 4.14. ИК-спектры:
1 – бемита; 2 – оболочки полых микросфер на основе бемита
Рассматривая изменение структурных связей при обработке высокоглиноземистого сырья (бемит), установлено смещение полосы
757,8 → 658,5 см–1 в коротковолновую область, данное изменение характерно для алюмокислородных октаэдров полос с корундовой упаковкой атомов.
Проведенные комплексные ИК-спектроскопические исследования исходного сырья и полученных микросфер на их основе позволяют
утверждать, что структура оболочки полых микросфер характеризуется
аморфизацией конденсированной фазы в процессе нагрева и плавления
агломерированных порошков на основе сырьевых материалов с содержанием кристаллического диоксида кремния ≥ 50 масс. % в ламинарной плазменной струе, обоснованной смещением основных полос поглощения в ИK-спектре конденсированного материала: зольный остаток (1062,1 → 1094,8 см–1); кварцевый песок (1087,8 → 1093,8 см–1).
В случае обработки агломерированного порошка бемита осуществляется смещение полосы 757,8 → 658,5 см–1 в коротковолновую область,
данное изменение характерно для алюмокислородных октаэдров полос
с корундовой упаковкой атомов.
1
2
Технологические основы получения микросфер
112
Выводы по разделу 4
1. Процесс формирования структурно-фазового состава обо-
лочки микросфер при значениях плотности теплового потока к агломерированной частице q= 1,0–1,5·106 Вт/м2 на основе тугоплавких поликристаллических материалов обеспечивает: образование рентгеноаморфной структуры оболочки после охлаждения при концентрации
SiO2 ≥ 60 масс. % в исходном порошке; переход скрытокристаллической модификации γ-Al2O3 в высокотемпературную α-Al2O при
алюмооксидном исходном порошке.
2. Структура оболочки полых микросфер характеризуется амор-
физацией конденсированной фазы в процессе нагрева и плавления агломерированных порошков на основе сырьевых материалов с содержанием кристаллического диоксида кремния ≥ 50 масс. % в ламинарной
плазменной струе, обоснованной смещением основных полос поглощения в ИK-спектре конденсированного материала: зольный остаток
(1062,1 → 1094,8 см–1); кварцевый песок (1087,8 → 1093,8 см–1).
3. Разработанная технология пригодна для получения микросфер
из агломерированных оксидных соединений с температурой плавления
от 1900 до 2300 K, что позволяет использовать природные и техногенные материалы (кварцевый песок, бемит, зольный остаток ГРЭС).
113
5. АПРОБАЦИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ
В последнее время много усилий направлено на проектирование
композиционных материалов на основе полых микросфер различного
состава. В настоящем разделе представлены перспективы использования и апробация результатов исследования. На рис. 5.1 приведена схема
перспективных направлений применения полых микросфер различного
состава, полученных с использованием энергии термической плазмы.
Рис. 5.1. Перспективные направления применения полых микросфер на
основе оксидных материалов, полученных в потоке термической
плазмы
Полая микросфера является одним из популярных инженерных
материалов и находит применение в различных отраслях промышленности. При изготовлении структурированных материалов и покрытий
на основе полых микросфер возможно достичь снижения плотности
и коэффициента теплового расширения. Разработанные технологические решения позволяют получать полые и плотные микросферы на основе агломерированных тугоплавких оксидов в потоке термической
плазмы, которые могут найти свое применение в различных областях.
Технологические основы получения микросфер
114
Микросферы на основе зольного остатка ГРЭС (алюмосили-
катные) – в последнее время растет спрос на материалы с низкой плот-
ностью и высоким модулем Юнга для строительной индустрии. Область
использования алюмосиликатных полых микросфер – нефтегазодобывающая промышленность, где они добавляются в качестве облегченного
наполнителя в тампонажную смесь.
Микросферы на основе кварцевого песка (кварцевые) – квар-
цевые микросферы востребованы, в частности, в мембранно-сорбционной технологии, позволяющей выделять гелий из природного газа.
Микросферы на основе бемита (корундовые) – применение ко-
рундовых микросфер в инженерной практике осуществляется при формировании керамических покрытий на металлической подложке конструкционных элементов, которые приобретают специфические свойства, такие как коррозионная стойкость, износостойкость, устойчивость
к тепловым напряжениям и др.
Дальнейшее развитие области исследования планируется реализовывать в проектах, направленных на получение сферических порошковых материалов в условиях энергии термической плазмы. На рис. 5.2
представлены направления развития области исследования.
Рис. 5.2. Развитие области исследования
Сверхкислые пропанты (SiO2 + Al2O3) – развитие нефтяной
промышленности не представляется возможным без расширения но-
5. Апробация и перспективы использования результатов работы
115
менклатуры пропантов высокого класса. Поиск новых технологических
решений позволит обеспечить и кратно увеличить площадь дренирования, тем самым реализовать продуктивный интервал в открытом состоянии при гидроразрыве.
Ферросферы (FeO, Fe2O3, Fe3O4, Fe4O5) – данный класс микросфер предназначен для развития области радиопоглощающих материалов, акустических, демпфирующих и изоляционных покрытий, в частности для различных аэрокосмических применений. Перспективная сырьевая база для получения данного вида микросфер на сегодняшний
день – отходы металлургического производства.
Наноразмерный сиалон (SiAlON) – нитридная керамика, исполь-
зуемая в высокотемпературной огнеупорной промышленности или в качестве высокопрочного режущего инструмента в технических приложениях.
Периклаз (MgO) – это разновидность усовершенствованного ог-
неупора, основным химическим компонентом которого является оксид
магния (MgO). Благодаря высокотемпературному сопротивлению
и светопропусканию плавленая магнезия используется в качестве жаропрочного оптического материала в аэрокосмическом поле. Высокая
термостойкость делает периклаз важным материалом для футеровки
в процессе производства стали.
5.1. Использование результатов исследования
в промышленных условиях
При рассмотрении вопросов промышленного применения полых
микросфер на основе агломерированных тугоплавких оксидов с использованием энергии термической плазмы произведена апробация
возможностии их использования в различных отраслях производства.
5.1.1. Производство керамического кирпича
с добавлением полых микросфер
В настоящее время проблема энергоэффективности и снижения
удельного расхода материалов является важной в строительной отрасли. Разработка экономичных строительных материалов позволит ре-
Технологические основы получения микросфер
116
шить эту проблему. Известно, что тепловые потери через наружные
стены составляют до 35–40 % от общих тепловых потерь здания.
Наиболее эффективными являются однослойные ограждающие конструкции, т. к. они имеют более высокий коэффициент однородности
теплотехники по сравнению с многослойными конструкциями и обеспечивают лучшую теплоизоляцию зданий. Такие стены могут быть построены из пористых керамических изделий со средней плотностью
в диапазоне от 500 до 1200 кг/м3.
Выше была рассмотрена разработанная технология получения
микросфер на основе зол ТЭЦ с помощью энергии термической
плазмы. Полученные полые микросферы характеризуются относительной толщиной оболочки δ/D
p,m
= 0,06, что позволяет использовать их
в технологии создания обжиговых стеновых материалов с пониженной
плотностью и коэффициентом теплопроводности.
На основе данных результатов была изготовлена партия стено-
вого материала в производственных условиях на кирпичном заводе ГК
«Карьероуправление» г. Томска в количестве 1000 шт.: средняя плотность 1200 кг/м3, прочность при сжатии 15 МПа, коэффициент теплопроводности 0,26 Вт/(м·K).
5.1.2. Плазменное напыление износостойких покрытий
Полученные полые корундовые микросферы по плазменной
технологической схеме пригодны для напыления износостойких порошковых покрытий. Совместно с Институтом теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения
Российской академии наук разработан способ плазменного напыления
износостойких покрытий толщиной более 2 мм [188]. В основу способа положена ступенчатая непрерывная обработка детали. На первом
этапе производится предварительная пескоструйная обработка с последующим обезжириванием поверхности обрабатываемой детали.
После установки детали в камеру напыления происходит напыление
слоя, толщиной не более 0,2 мм, при высокоскоростном турбулентном
режиме истечения плазменной струи (расход плазмообразующего газа
2,8–3,0 г/с). После напыления первоначального слоя осуществляется
прекращение подачи порошка и уменьшение исходной дистанции от
5. Апробация и перспективы использования результатов работы
117
напыляемой поверхности. После этого проводится нагрев поверхности при низкоскоростном ламинарном режиме истечения плазменной
струи (расход плазмообразующего газа 0,7–0,9 г/с) до температуры
(0,2–0,3) Т
melt
, где Т
melt
– температура плавления материала покрытия.
После прогрева поверхности детали до необходимой температуры
производится установка плазмотрона на исходную дистанцию напыления и осуществляется напыление основного слоя до заданной толщины при высокоскоростном турбулентном режиме истечения плазменной струи. Такая технологическая схема плазменного напыления
позволяет сформировать износостойкое покрытие толщиной более
2 мм при минимальном уровне остаточных напряжений, которые существенно ниже адгезионной прочности покрытия.
118
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В настоящей монографии изложены новые научно-обоснованные
технические, технологические решения, позволяющие использовать
тугоплавкие оксиды в производстве микросфер с заданными параметрическими характеристиками и свойствами в условиях энергии термической плазмы. Методами физического материаловедения установлены
особенности формирования структуры, фазового состава и свойств
микросфер на основе агломерированных тугоплавких оксидов. Выполненные теоретические и экспериментальные исследования позволяют
сделать следующие выводы:
1. Воздействие энергии термической плазмы (тепловая мощность
плазменной струи 19–27 кВт, массовый расход плазмообразующего
газа (воздух) 0,6–1 г/с, давление – атмосферное) на тугоплавкие агломерированные частицы диаметром Dp ≤ 150 мкм и объёмной пористостью П = 0,25–0,40 приводят к формированию микросфер с относитель-
ной толщиной оболочки δp/Dp = 0,06–0,17.
2. Предложенный механизм адекватно описывает процесс формирования микросфер на основе агломерированных тугоплавких оксидов в потоке термической плазмы. Газонасыщение полой микросферы
осуществляется на этапе формирования первичной пленки расплава на
поверхности агломерированной частицы и определяется исходной пористостью агломерата. Основное расширение оболочки микросферы
(до 70 %) происходит в процессе нагрева агломерата до температуры
плавления конденсированной фазы. При дальнейшем нагреве Т
melt
< T
vap
полой капли расплава до температуры испарения конденсированной
фазы расширение газовой полости не превышает 5 %, что говорит
о возможности регулирования параметрических характеристик (диаметр, толщина оболочки) получаемых полых микросфер.
3. Структура оболочки полых микросфер характеризуется аморфизацией конденсированной фазы в процессе нагрева и плавления агломерированных порошков на основе сырьевых материалов с содержанием кристаллического диоксида кремния ≥ 50 масс. % в ламинарной
плазменной струе, обоснованной смещением основных полос поглощения в ИK-спектре конденсированного материала: зольный остаток
(1062,1 → 1094,8 см–1); кварцевый песок (1087,8 → 1093,8 см–1).
5. Апробация и перспективы использования результатов работы
119
4. Показано, что при нахождении в плазменной струе полой
капли расплава (микросфера), сформированной на основе агломерированной частицы, состоящей из тугоплавких оксидных соединений
(SiO2 ≥ 50 масc. %), допустим перегрев расплавленной оболочки на
800 K выше температуры плавления диоксида кремния без потери
массы, что позволяет достичь полной гомогенизации конденсированной фазы. Данное утверждение обосновано результатами термодинамического моделирования и экспериментальной диагностикой температуры конденсированных частиц в плазменной струе.
5. Установленные технологические аспекты лежат в основе создания физических основ промышленной технологии производства
микросфер из агломерированных оксидных соединений с температурами плавления от 1900 до 2300 K на основе природных и техногенных
материалов (кварцевый песок, бемит, зольный остаток ГРЭС).
120
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Zhixia, L.I. Sol-gel synthesis and characterization of magnetic TiO2
microspheres / L.I. Zhixia, Kawashita Masakazu, Doi Masaaki // Journal of
the Ceramic Society of Japan. – 2010. – V. 118. – № 6. – P. 467–473.
2. The use of laser induced breakdown spectroscopy for the deter-
mina-tion of Li in organic wash solutions during the preparation of lithiumbased oxide ceramics by sol–gel / S. Arnab, D. Alamelu, T.V. Vittal Rao
[et al.] // Optics and Laser Technology. –2011, V. 43 (3). – P. 736–739.
3. Joonwon Bae. Fabrication of carbon microcapsules containing silicon nanoparticles – carbon nanotubes nanocomposite by sol–gel method for
anode in lithium-ion battery / Joonwon Bae // Journal of Solid-State Chemistry. – 2011. – V. 184 (7). – P. 1749–1755.
4. Sundaram, S.K. Titanium-Dioxide-Coated Silica Microspheres for
High-Efficiency Dye-Sensitized Solar Cell / S.K. Sunda¬ram, K. Fox, Ohji
Tatsuki, E. Hoffman // Advances in Materials Science for Envi-ronmental
and Nuclear Technology II. – 2011. – V. 227. – P. 27–32.
5. Ornelas, M. Synthesis and applications of templated sol-gel microspheres / M. Ornelas, C.M. Pereira, M. Azenha // Microspheres: Tech-nologies, Applications and Role in Drug Delivery Systems. – 2014. – P. 1–32.
6. Todea, M. Structural properties of yttrium aluminosilicates microspheres / M. Todea, B. Frentiu, R.F.V. Turcu, S. Simon // Journal of Physics
and Chemistry of Solids. – 2011. – V. 72 (3). – P. 164–168.
7. Effect of Synthesis Time on Morphology of Hollow Porous Silica
Mi-crospheres / Chen Qian, Larismaa Juha, Keski-Honkola Anu [et al.] //
Materials science. – 2012. – V. 18. – № 1. – P. 1–6.
8. Патент US № 7900474. Hollow glass microspheres comprising
se-lenium oxide and method of making thereof : опубл. 8.03.2011 / War-
ren R.B., Woodbury M.N. – Бюл. B2.
9. Патент № 2573496 Российская Федерация, МПК C03B 19/10
(2006.01). Способ изготовления стеклянных микросфер : № 2014143211 :
заявл. 28.10.2014 : опубл.20.01.2016 / Плолухин М.С., Шмотьев А.С. –
Бюл. № 2.
10. Патент № 2301202 Российская Федерация, МПК C03B 19/10
(2006.01). Способ изготовления стеклянных шариков или микросфер :
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]