Механические характеристики нанопорошков оксида алюминия

УДК 621.762

МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НАНОПОРОШКОВ

ОКСИДА АЛЮМИНИЯ

А.Л. Суменков, А.И. Зимин, И.И. Семочкин

Исследовано влияние температуры, влажности, давления окружающей среды на механические характеристики нанопорошков оксида алюминия со сферическими частицами. Выяснено, что коэффициенты внутреннего и внешнего трения порошков возрастают с ростом их влагосодержания. Аутогезия и предельное сопротивление сдвигу растут с увеличением температуры, причем эти зависимости носят экстремальный характер.

Ключевые слова: нанопорошки, механические характеристики, аутогезия, коэффициенты внутреннего и внешнего трения, влагосодержание, температура.

Наблюдающийся в последнее время стремительный рост научных исследований в области создания наноматериалов и разработки нанотехнологий предопределен уникальностью свойств наносистем. Наноматериалы отличаются от «обычных» материалов повышением твёрдости в сочетании с высокой пластичностью, снижением температур плавления, спекания, полиморфных превращений, повышением реакционной способности и др. Это обусловлено изменением атомно-кристаллической структуры и физико-химических свойств нанодисперсных систем [1].

Совершенствование свойств традиционных материалов за счет модификации их структуры в нанодисперсном диапазоне приводит к улучшению их основных эксплуатационных характеристик. Это открывает широкий диапазон применения наномодифицированных порошков в области создания новых технологий получения материалов с улучшенными свойствами [2]. Одним из таких материалов является оксид алюминия, который широко используется при синтезе высокопрочной конструкционной керамики, производстве теплозащитных покрытий, в катализе и многих других процессах.

При синтезе нанодисперсных порошков оксида алюминия, их использовании в качестве сырья для получения материалов с новыми свойствами используют механические процессы, связанные с уплотнением и разрыхлением порошков, их прессованием и измельчением, смешением и разделением, транспортированием и дозированием. Для эффективного осуществления названных процессов необходимо знать механические характеристики нанопорошков. Характер и особенности поведения порошков при проведении механических процессов определяются, прежде всего, такими свойствами, как аутогезия (слипаемость), коэффициенты внутреннего и внешнего трения. При этом необходимо учесть существенную зависимость механических характеристик от размеров и морфологических осо-

бенностей частиц, температуры, влажности, давления окружающей среды и многих других факторов. Очевидно, что указанное влияние существенным образом отражается на качественном проведении процессов с участием наносистем. Таким образом, появляется возможность, управляя дисперсным составом порошков, параметрами окружающей среды, получать нанопорошки с заранее заданными механическими характеристиками, открываются перспективы оптимизации процессов синтеза и дальнейшего использования наносистем с улучшенными свойствами.

Однако информация о механических характеристиках нанопорошков в научно-технической литературе практически отсутствует.

В настоящей работе изучалось влияние температуры, влажности, давления окружающей среды на механические характеристики наносистем: аутогезию, коэффициенты внутреннего и внешнего трения, предельное сопротивление сдвигу.

Исследовали нанопорошки оксида алюминия со сферической формой и средним размером частиц от 0,03 до 2,0 мкм. Порошки были синтезированы плазмохимическим способом. Гранулометрический состав порошков был определён на основе электронно-микроскопических исследований, его сравнивали с величиной удельной поверхности, измеренной по методу БЭТ.

Аутогезия определялась по методу отрыва пластины со слоем порошка от порошкового тела [3]. Порошок для исследования помещали в чашку, верхний слой его разравнивали. Порошок в чашке нагружали сверху пластиной со слоем того же порошка на связке. На пластину устанавливали грузы. Вес пластины с порошком и грузов Рп определял величину уплотняющего напряжения (Гп. Напряжение отрыва пластины с порошком ^отр от порошкового тела (аутогезию) рассчитывали как отношение усилия собственно отрыва Ротр к площади пластины А. Усилие отрыва Ротр

равняется разности между измеренным при помощи тензометрической рамки усилием Р в момент отрыва и весом Рп.

Используя прибор линейного плоскостного сдвига, схема которого показана на рис. 1, получали зависимости предельного сопротивления сдвигу 1 от нормального напряжения сжатия

представляется линиями сдвига, или линиями предела текучести. Тангенс угла наклона линии сдвига к оси абсцисс является коэффициентом внутреннего трения /.

к измерительному прибору

Оп

Рис. 1. Схема прибора линейного плоскостного сдвига:

1 - чашка, 2 - исследуемый порошок, 3 - кольцо,

4 - уплотняющий диск, 5 - тензометрическая рамка

Аналогично определяли коэффициент внешнего трения, только осуществляли сдвиг кольца по металлической пластине (материал пластины не влиял на величину коэффициента внешнего трения). Уплотнение порошка, процесс сдвига, построение линий предела текучести и расчёт коэффициента трения не отличались от рассмотренных выше.

При исследовании зависимости механических характеристик от температуры использовали специальные устройства, оборудованные электронагревателями, в которые устанавливали разрывной и сдвиговый приборы. Влияние влагосодержания на коэффициенты внутреннего и внешнего трения нанодисперсных порошков изучалось с применением приборов плоскостного сдвига, которые устанавливались в специальный бокс.

Для исследования влияния относительной влажности среды на вла-госодержание порошок помещался в бокс и выдерживался в течение четырёх часов при заданной относительной влажности и температуре, после чего определялось его влагосодержание. Затем эксперимент повторялся при той же температуре и другой величине относительной влажности среды.

Таким образом, находили зависимость влагосодержания порошка от относительной влажности среды при постоянной температуре. Исследования повторяли при других величинах температур для выбранного порошка, а затем и для порошков с другим средним диаметром частиц.

В результате получили семейства кривых - зависимостей влагосо-держания от относительной влажности среды для разных порошков при разных температурах. Наличие таких семейств позволяет определить вла-госодержание порошков с разным средним диаметром частиц при различных величинах относительной влажности и температуры. Влагосодержа-ние порошков, как оказалось, монотонно уменьшается с ростом температуры и возрастает с ростом относительной влажности. Необходимо отметить, что влагосодержание порошков с меньшим средним диаметром частиц оказалось выше, чем более крупных (при одинаковой температуре и относительной влажности).

На рис. 2 приведены зависимости коэффициентов внутреннего трения, а на рис. 3 - внешнего трения от влагосодержания порошков оксида алюминия. Из графиков на рис. 2 и 3 следует, что величины коэффициентов внутреннего и внешнего трения нанопорошков растут при увеличении их влагосодержания. По всей видимости, это можно объяснить увеличением капиллярной составляющей сил взаимодействия между частицами.

í

1.0

0,8

0,6

0,4

>—"1

о -и— и “-г

о -о о и —о—

0,4

0,8

С0,масс%

Рис. 2. Зависимость коэффициентов внутреннего трения порошков оксида алюминия от влагосодержания при среднем размере частиц (мкм): 1 - 0,031; 2 - 0,076; 3 - 0,157; 4 - 2,0

При проведении экспериментов было выяснено, что аутогезия (прочность порошков на разрыв) увеличивается с ростом температуры,

однако необходимо обратить внимание на то, что зависимость имеет минимум при температуре около 400 К.

Испытания на сдвиг позволили получить линии предела текучести каждого порошка при различных температурах. Оказалось, что графики зависимостей предельного сопротивления сдвигу всех нанопорошков имеют минимум при температуре около 400 К, как и графики зависимостей от температуры аутогезии, а коэффициенты внутреннего трения изменяются незначительно.

Увеличение давления газовой среды, как выяснилось при проведении экспериментов, уменьшает сопротивление нанопорошков сдвигу. Видимо, это можно объяснить возрастанием на поверхности частиц порошка количества слоёв адсорбируемого газа, «экранирующих» частицы порошка друг от друга, что уменьшает прочность контакта частиц и уменьшает их трение при относительном сдвиге.

-

О ^^2

-

0,4 0,8 С0,масс%

Рис. 3. Зависимость коэффициентов внешнего трения порошков оксида алюминия от влагосодержания при среднем размере частиц (мкм): 1 - 0,031; 2 - 0,076; 3 - 0,157; 4 - 2,0

Полученные результаты позволяют утверждать, что величинами механических характеристик нанопорошков можно варьировать, изменяя различные параметры (размеры и форму частиц, температуру, влажность, давление среды и т. д.) с целью оптимизации энерго- и ресурсосберегающих технологий их получения и переработки.

Список литературы

1. Шевердяев О.Н. Нанотехнологии и наноматериалы: учебное пособие для вузов. М.: Изд-во Московского государственного открытого университета, 2009. 112 с.

2. Женжурист И.А., Зарипова В.М., Мубаракшина Л.Ф., Хозин В.Г. Влияние нанодисперсных частиц гидрозолей оксидов кремния и алюминия на структурообразование глинистых минералов в водной среде // Стекло и керамика. 2010. № 7. С. 28-32.

3. Андрианов Е.И. Методы определения структурно-механических характеристик порошкообразных материалов. М.: Химия, 1982. 256 с.

Суменков Александр Леонидович, канд. техн. наук, доц., sumenal@rambler.ru, Россия, Новомосковск, НИ (ф) РХТУ им. Д.И. Менделеева,

Зимин Анатолий Игоревич, канд. техн. наук, доц., zimin1951@yandex.ru, Россия, Новомосковск, НИ (ф) РХТУ им. Д.И. Менделеева,

Сёмочкин Игорь Иванович, канд. техн. наук, доц., iisemochkin@mail.ru, Россия, Новомосковск, НИ (ф) РХТУ им. Д.И. Менделеева

MECHANICAL CHARACTERISTICS OF ALUMINIUM OXIDE

NANOPOWDERS

A.L. Sumenkov, A.I. Zimin, I.I. Semochkin

Influence of temperature, humidity, pressure of environment upon mechanical characteristics of nanopowders of aluminium oxide with spherical particles is investigated. It is found out that coefficients of internal and external friction ofpowders increase with growth of their moisture content. Autohesion and the limit resistance to shift grow with increase in temperature, and these dependences have extreme character.

Key words: nanopowders, mechanical characteristics, autohesion, coefficients of internal and external friction, moisture content, temperature.

Sumenkov Alexandr Leonidovich, candidate of technical science, docent, sumenal@rambler. ru, Russia, Novomoskovsk, The Novomoskovsk’s Institute (subdivision) of the Mendeleyev Russian Chemical-Technological University,

Zimin Anatoliy Igorevich, candidate of technical science, docent,

zimin1951@yandex.ru, Russia, Novomoskovsk, The Novomoskovsk’s Institute (subdivision) of the Mendeleyev Russian Chemical-Technological University,

Semochkin Igor Ivanovich, candidate of technical science, docent,

iisemochkin@mail. ru, Russia, Novomoskovsk, The Novomoskovsk’s Institute (subdivision) of the Mendeleyev Russian Chemical-Technological University