Пористая керамика с регулярной структурой

УДК 666. 641

Ж. В. Андреева, А. И. Захаров

Российский химико-технологический университет им. Д, И. Менделеева, г. Москва, Россия

ПОРИСТАЯ КЕРАМИКА С РЕГУЛЯРНОЙ СТРУКТУРОЙ

Работа посвящена упрочнению пористой керамики за счет образования упорядоченной поровой структуры. Показано, что упорядоченная ориентация пор увеличивает прочность керамического образца, при этом сохраняется плотность, пористость и водопоглощение.

The work is devoted to the strengthening of porous ceramics due to the formation of the ordered pore structure. It is shown that the ordered orientation of the pores increases the strength of the ceramic sample, while maintaining the density, porosity and water absorption.

Пористая керамика в настоящее время приобретает все большее значение в различных областях техники, технологии и архитектуры. Разработка материалов на основе пористой керамики развивается в нескольких направлениях.

Первым является теплоизоляция, в которой востребованы такие свойства пористой керамики, как огнеупорность и пониженный коэффициент теплопроводности.

Вторым направлением являются области, где решающим свойством материала являются его пористая структура и связанные с ней свойства. Главным образом, это размеры пор и обусловливаемая ими проницаемость, высокая удельная поверхность и т. п. Пористые керамические материалы применяются в тех случаях, когда процессы фильтрации, распределения газов и жидкостей проводятся при высоких температурах или в агрессивных средах, когда другие материалы оказываются непригодными.

Применение пористой керамики в архитектуре связано с хорошей устойчивостью к окружающей среде, низкой теплопроводностью и малой плотностью. Прежде всего это различные модульные элементы, такие как высокопустотные кирпичи и керамические камни. Высокая декоративность керамики также привлекает архитекторов.

Основной недостаток пористой керамики, который ограничивает ее применение в архитектуре - недостаточная механическая прочность.

Целью работы являлось получение пористого керамического материала с повышенными прочностными свойствами.

Сейчас наиболее распространены следующие способы получения пористой керамики:

• использование монофракционных составов исходных сырьевых

материалов;

• метод выгорающих добавок;

• метод вспенивания;

• метод химического порообразования.

Недостатком первого способа является то, что размер пор зависит от размера порошка.

Последние два метода позволяют получить нужный размер пор, недостатком является дороговизна продуктов.

Метод выгорающих добавок приводит к получению материала с невысокой прочностью, однако является самым дешевым и дает возможность регулировать в широких пределах размеры и количества пор.

Метод основан на введении и последующем выжигании горючих добавок. Исходный материал смешивают с твердыми выгорающими органическими веществами, формование изделий осуществляется пластическим формованием, полусухим прессованием или шликерным литьем, после чего изделия подвергают обжигу, приводящему к образованию пор на месте частиц добавок.

В качестве выгорающих добавок используют любые твердые горючие материалы, применение которых экономически целесообразно, в том числе древесные опилки разных пород, древесный уголь, древесную муку, различные виды каменных углей, продукты коксования, горючие сланцы, графит, торф, а также ряд других материалов - пробковую и бумажную пыль, просяную и рисовую шелуху, рубленую солому разных злаков, сажу и т. п.

Основной идей работы является увеличения прочности керамических изделий, полученных методом выгорающих добавок без уменьшения их пористости. Предполагалось, что при упорядоченном, однонаправленном распределении вытянутых пор, значение прочности керамического образца возрастает по сравнению с прочностью образца с неупорядоченной структурой. Если нагрузка на образец идет поперек волокон, путь трещины становится длиннее, следовательно образец становится более прочным, по сравнению с образцом с неупорядоченной структурой. Для создания направленной пористой структуры в качестве выгорающей добавки были выбраны волокна целлюлозы.

Целлюлоза обладает необходимыми параметрами: высоким соотношением длины к толщине (в увлаженном состоянии средняя длина равна 540 мкм, средняя толщина - 50 мкм, соотношение длины к толщине равно 10), легкостью выгорания, дешевизной. Более того целлюлоза не оставляет в материале продукты горения. Одним из достоинств данного продукта также является то, что прочность необожженного образца (сырца) с добавкой целлюлозы по сравнению с прочностью образца без добавок выше счет армирующего действия волокон.

Исходным материалом для керамики была красножгущаяся керамическая масса 8-6008 (ПГ-100). Основные характеристики: ПГ-100 -красножгущаяся масса с умеренной пластичностью, достаточной для формования ручной лепкой, на гончарном круге, раскаткой на станке с шаблоном. Масса представляет собой чистую молотую и вакуумированную пластичную глину. Рекомендуемый интервал обжига: 850 - 1050°С.

В качестве выгорающей добавки применяли порошковую целлюлозу марки Полицелл ПЦ, применяется в строительстве - в качестве компонентов шпаклевок, строительных смесей, отделочных покрытий, звукоизоляционных материалов, а также как заменитель асбеста при изготовлении асбоцементных изделий.

Для создания упорядоченной структуры керамики с помощью волокон целлюлозы были испытаны несколько методов, включая пропитку упорядоченных волокон глиняным шликером, создание направленной структуры организацией течения шликера с добавками, формованием пластической массы с добавками способами раскатки и протяжки.

Оптимальным методом изготовления образов с направленной структурой волокон добавки оказалось изготовление образцов протяжкой чрез фильеру малого диаметра при помощи специального шприца.

При экструзии пластической массы был обнаружен существенный недостаток: забивание волокнами целлюлозы узкого отверстия шприца, и невозможности выпрессовываться оставшейся массе. Для диспергации волокон целлюлозы и предотвращения их агломерации в смесь, содержащую 5 % волокон, вводили поверхностно-активные вещества в количестве 0,2 % от массы глины. Такая масса легко проходила через отверстие шприца, образуя при этом нити пластичной массы. Образец изготавливали путем укладки нитей в пресс-форму и последующего уплотнения вручную и под давлением 15 МПа.

Изготовленные образцы имели форму балок с поперечным и продольным расположением нитей вдоль оси образца. Для сравнения изготавливали образцы с таким же содержанием волокон без их ориентации с помощью выдавливания. У образцов с добавками целлюлозы и без добавок определяли пористость, плотность и предел прочности при изгибе. Результаты определений представлены в таблице 1. Как видно из таблицы, наилучшее отношение прочности к плотности у уплотненных образцов с упорядоченной структурой.

Табл.1. Некоторые свойства керамических образцов

Характеристика образцов Пористость общая, % Плотность, г/см3 Предел прочности при изгибе, МПа Отношение прочности к плотности, МПа-см3/г

с упорядоченной поровой структурой 33,7 1,5 13,11 8,74

с неупорядоченной поровой структурой 33,0 1,5 11,77 7,85

с упорядоченной структурой, уплотненные при давлении 15 МПа 26,8 1,7 17,57 10,34

без добавки целлюлозы 24,0 1,9 18,85 9,92

Таким образом, прочность пористой керамики можно увеличить за счет упорядоченного расположения вытянутых пор.