Закономерности формирования структуры и свойств пористых композитов на основе базальтового волокна в процессе термоциклирования

Представлены  результаты  исследования  структуры  и  свойств  двух  составов  пористых  композиционных материалов системы CaO–MgO–FeO(Fe2O3)–Al2O3–SiO2 на основе базальтового волокна, сформированных в процессе термоциклирования. Изготовленные из шихты I состава образцы имели следующую структуру: базальтовое волокно (37 мас.%) + муллитокремнеземистое волокно (19 мас.%) + модификатор Al2(SO4)3 в качестве связки (11 мас.%) + порообразователь (19 мас.%) + фарфор в качестве упрочнителя (4 мас.%) + пластификатор (11 мас.%); II состава: базальтовое волокно (52 мас.%) + SiO2 (15 мас.%) + порообразователь (1 мас.%) + фарфор (алюмосиликат) в качестве упрочнителя (6,5 мас.%) + пластификатор (КМЦ, 6,5 мас.%) + известняковая мука (карбонат кальция, CaCO3, 19 мас.%). Термоциклирование проводилось в трех диапазонах температур 750–770 °С, 1025–1075 °С, 1070–1090 °С с целью получения определенных структуры и свойств композитов, спрессованных под давлением 20, 40 и 60 МПа. Для контроля морфологии поверхности, изменения фазового состава, аморфности и параметров тонкой структуры, пористости, проницаемости и прочностных свойств проводили оценку образцов на каждом цикле процесса.  На  основе  установленных  закономерностей  структурообразования  предложены  режимы  формирования порового пространства с сохранением пористости не ниже 45 %, прочности – 5–25 МПа, усадки в процессе спекания – не более 20 %. Исследованные композиционные материалы могут быть использованы для создания фильт-  рующих элементов систем разделения, очистки, преобразования жидких и газообразных сред. 

1. Витязь, П. А. Фильтрующие материалы: свойства, область применения, технология изготовления / П. А. Витязь, В. М. Капцевич, Р. А. Кусин; под ред. П. А. Витязя. – Мн.: НИИ ПМ с ОП, 1999. – 304 с.

2. Влияние природы связующего на структурно-механические свойства пористой силикатной керамики / А. И. Ратько, А. И. Иванец, Е. А. Степанова, С. М. Азаров // Физикохимия поверхности и защита материалов. – 2009. – Т. 45, № 2. – С. 222–227.

3. Модифицирование поверхности высокопористых керамических материалов / В. Н. Анциферов, С. Е. Порозова, Е. В. Матыгуллина, Р. М. Хафизова // Огнеупоры и техническая керамика. – 2004. – № 8. – С. 2–4.

4. Пути совершенствования технологии и свойств конструкционных керамических материалов / Г. И. Бердов, В. А. Лиенко, П. М. Плетнев, И. И. Рогов // Конструкции из композиционных материалов. – 2004. – № 2. – С. 5–9.

5. Влияние размера частиц порошка на структурные характеристики пористых проницаемых макротел на основе природного кварца / О. П. Реут, Е. Е. Петюшик, С. М. Азаров, А. А. Дробыш // Порошковая металлургия: респ. межведомств. сб. науч. тр. / Бел. респ. науч.-произв. об-ние порошк. металлургии. – Мн., 2006. – Вып. 29. – С. 337–341.

6. Investigation of the structure and properties of ceramic materials with a rigid system microfiltration transport pores based on basalt fibers / S. Besarab, S. Azarov, J. Sauka [et al.] // ChemRxiv. – 2021. https://doi.org/10.26434/chemrxiv-2021-46cg5

7. Минералы. Диаграммы фазовых равновесий: справочник: в 2 вып. / Акад. наук СССР, Ин-т геологии рудных месторождений петрографии, минералогии и геохимии; отв. ред.: Ф. В. Чухров, И. А. Островский, В. В. Лапин. – М.: Наука, 1974. – Вып. 1: Фазовые равновесия, важные для природного минералообразования. – 515 с.

8. Рабухин, А. И. Физическая химия тугоплавких неметаллических и силикатных соединений / А. И. Рабухин, В. Г. Савельев. – М.: Инфра-М, 2009. – 302 с.

9. Лукин, Е. С. Пористая проницаемая керамика из оксида алюминия / Е. С. Лукин, А. Л. Кутейникова, Н. А. Попова // Стекло и керамика. – 2003. – № 3. – С. 17–18.

10. Особенности формирования пористых структур керамических материалов с различными выгорающими компонентами / С. Л. Радченко, Е. М. Дятлова, Т. В. Колонтаева, В. А. Бирюк // Весцi Нацыянальнай акадэміі навук Беларусi. Серыя хiмічных навук. – 2003. – Т. 76, № 1. – С. 107–110.

11. Воробьева, В. В. Влияние тонкодисперсной составляющей на формирование пористой проницаемой структуры керамики / В. В. Воробьева, В. Г. Леонов // Стекло и керамика. – 2002. – Т. 75, № 6. – С. 21–23.

12. Закономерности влияния температуры спекания и состава упрочняющего компонента на прочность композиционных материалов на основе базальтового волокна / Е. Е. Петюшик, И. В. Фомихина, Л. В. Маркова [и др.] // Порошковая металлургия: респ. межвед. сб. науч. тр. / Нац. акад. наук Беларуси, Гос. науч.-произв. об-ние порошк. металлургии, Ин-т порошк. металлургии; редкол.: А. Ф. Ильющенко [и др.]. – Мн., 2022. – Вып. 45. – С. 136–142.

13. Пористая алюмосиликатная керамика / С. М. Азаров, Е. Е. Петюшик, Т. А. Азарова [и др.]. – Мн.: Ковчег, 2009. – 258 с.

14. Корнилов, А. В. Причины различного влияния известковых глин на прочностные характеристики керамики / А. В. Корнилов // Стекло и керамика. – 2005. – Т. 78, № 12. – С. 30–32.

15. Рыжков, И. В. Физико-химические основы формирования свойств смесей с жидким стеклом / И. В. Рыжков, В. С. Толстой. – Харьков: Высш. шк., 1975. – 139 с.

16. Hwang, S.-L. Grain size control of tetragonal zirconia polycrystals using the space charge concept / S.-L. Hwang, I.-W. Chen // Journal of the American Ceramic Society. – 1990. – Vol. 73, iss. 11. – P. 3269–3277. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1990.tb06449.x

17. Ikeda, J. A. S. Space charge segregation at grain boundaries in titanium dioxide: I, Relationship between lattice defect chemistry and space charge potential / J. A. S. Ikeda, Y.-M. Chiang // Journal of the American Ceramic Society. – 1993. – Vol. 76, iss. 10. – P. 2437–2446. http://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1993.tb03964.x

18. Space Charge Segregation at Grain Boundaries in Titanium Dioxide: II, Model Experiments / J. A. S. Ikeda, Y.-M. Chiang, A. J. Garratt-Reed, J. B. Vander // Journal of the American Ceramic Society. – 1993. – Vol. 76, iss. 10. – P. 2447–2459. – https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1993.tb03965.x

19. Chiang, Y.-M. Grain-Boundary Chemistry of Barium Titanate and Strontium Titanate: I, High-Temperature Equilibrium Space Charge / Y.-M. Chiang, T. Takagi // Journal of the American Ceramic Society. – 1990. – Vol. 73, iss. 11. – P. 3278–3285. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1990.tb06450.x

20. Chiang, Y.-M. Grain-Boundary Migration in Nonstoichiometric Solid Solutions of Magnesium Aluminate Spinel: II, Effects of Grain-Boundary Nonstoichiometry / Y.-M. Chiang, W. D. Kingery // Journal of the American Ceramic Society. – 1990. – Vol. 73, iss. 5. – P. 1153–1158. – https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1990.tb05172.x

21. Bennison, S. J. A history of the role of MgO in the sintering of α-Al2O3 / S. J. Bennison, M. P. Harmer // Ceramic Transactions / eds.: C. A. Handwerker, J. E. Blendell, W. A. Kaysser. – Columbus, OH: American Ceramic Society, 1990. – Vol. 7: Sintering of Advanced Ceramics. – P. 13–49.

22. Johnson, W. C. A Test of the Second-Phase and Impurity-Segregation Models for MgO-Enhanced Densification of Sintered Alumina / W. C. Johnson, R. L. Coble // Journal of the American Ceramic Society. – 1978. – Vol. 61, iss. 3–4. – P. 110–114. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1978.tb09250.x

23. Grain-Growth Kinetics for Alumina in the Absence of a Liquid Phase / J. Stephen, S. Bennison, P. Martin, M. Harmer // Journal of the American Ceramic Society. – 1985. – Vol. 68, iss. 1. – P. C-22–C-24. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1985.tb15259.x

24. Berry, K. A. Effect of MgO Solute on Microstructure Development in Al2O3 / K. A. Berry, M. P. Harmer // Journal of the American Ceramic Society. – 1986. – Vol. 69, iss. 2. – P. 143–149. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1986.tb04719.x

25. Baik, S. Segregation of Mg to the (0001) Surface of Single-Crystal Alumina: Quantification of AES Results / S. Baik // Journal of the American Ceramic Society. – 1986. – Vol. 69, iss. 5. – P. C-101–C-103. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1986.tb04780.x

26. Baik, S. Anisotropic Calcium Segregation to the Surface of Al2O3 / S. Baik, C. L. White // Journal of the American Ceramic Society. – 1987. – Vol. 70, iss. 9. – P. 682–688. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1987.tb05739.x