Исследования методом инфракрасной спектроскопии структурных изменений гелей в процессе термической обработки при получении высокотемпературных стеклокерамических материалов по золь-гель технологии

Значение жесткости при актюировании ka в точке определения деформации волоконно-оптическим сенсорным элементом рассчитывается по формуле (3). После сравнения разности значений прогиба профилей Zia-Zi и Zea—Z2 и отклонения значения жесткости ka от k можно судить об изменении жесткости образца.

Таким образом, описанный способ позволяет оценить изменение жесткости образцов. В свою очередь, изменение жесткости конструкций из ПКМ может служить индикатором наличия структурных изменений и, как следствие, образования микродефектов, их развития при воздействии нагрузок и зарождения опасных дефектов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бунаков В.А., Головкина Г.С. Армированные пластики. М.: МАИ. 1997. 404 с.

2. Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Шарапова Е.В. Пьезоэлектрические датчики. М.: Техносфера. 2006. 628 с.

3. Уорден К. Новые интеллектуальные материалы и конструкции. М.: Техносфера. 2006. 223 с.

4. Сиваков Д.В., Гуляев И.Н., Сорокин К.В., Федотов М.Ю., Гончаров В.А. Методы исследования конструкционных композиционных материалов с интегрированной электромеханической системой //Авиационные материалы и технологии. 2010. №4. С. 31-34.

5. Физика. Большой энциклопедический словарь /Гл. ред. A.M. Прохоров. 4-е изд. М.: Большая российская энциклопедия. 1998. 944 с.

УДК 620.179:678.84

E.H. Каблов, Д.В. Гращенков, Н.Е. Уварова

ИССЛЕДОВАНИЯ МЕТОДОМ ИНФРАКРАСНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ СТРУКТУРНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ ГЕЛЕЙ В ПРОЦЕССЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПРИ ПОЛУЧЕНИИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СТЕКЛОКЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ПО ЗОЛЬ-ГЕЛЬ ТЕХНОЛОГИИ

Приведены преимущества золь-гель технологии для получения высокотемпературных стеклокерамических материалов. Рассмотрены результаты исследования методом инфракрасной спектроскопии процессов структурообразования - переходов «раствор (золъ)^гелъ^кристаллическая фаза» на примере системы SrO-Al2O3-SiO2.

Ключевые слова: золь-гель технология, гелеобразование, стеклокерамика, структу-рообразование, стронциевый анортит.

Получение высокотемпературных керамических и стеклокерамических материалов - важная задача современного материаловедения. Областью применения этих материалов являются перспективные изделия авиационной и космической техники, а также машиностроение, энергетика, нефтяная и газовая промышленность [1-3].

Получение высокотемпературных стеклокристаллических материалов традиционным способом варки стекла с последующей его направленной кристаллизацией сопряжено с рядом трудностей: необходимостью применения высокой температуры варки исходных стекол и сложностью при получении материала заданного фазового состава. При осуществле-

нии этой технологии происходит загрязнение воздуха пылью из мелкодисперсных шихтовых материалов и испарениями продуктов реакции при варке стекла.

В настоящее время возрастает интерес к новым энергосберегающим способам получения высокотемпературных материалов, таким как золь-гель технология, главным преимуществом которой является более низкая температура синтеза материалов по сравнению с традиционными способами. Достижения последних лет в области золь-гель технологии доказали перспективность ее применения как для получения тонкодисперсных порошков матричных компонентов, включая нанопорошки, так и для нанесения покрытий на волокна из золей прекурсоров [4-7].

Золь-гель технология является перспективным способом получения высокотемпературных материалов, позволяющим регулировать структуру и свойства материалов путем изменения условий синтеза, и имеет следующие преимущества: высокую химическую однородность многокомпонентных систем (на молекулярном уровне); высокую поверхностную энергию гелей или порошков, что способствует понижению температуры спекания; высокую химическую чистоту реагентов; возможность получения продуктов в виде волокон, порошков, пленок и микросфер высокой чистоты и однородности; возможность синтеза принципиально новых материалов [8, 9].

В работе рассматриваются результаты исследования методом инфракрасной спектроскопии (ИК) процессов структурообразования, протекающих в процессе переходов «раствор (золь)^гель^кристаллическая фаза» на примере системы 8г0-А1203-8Ю2.

Процесс гелеобразования имеет особенно важное значение при получении материалов по золь-гель технологии, поскольку именно на этом этапе формируется структура геля, включающего в себя фрагменты структуры будущего материала, и во многом обусловлен последующими процессами.

В общем виде процесс гелеобразования можно представить в виде схемы последовательных реакций:

- гидролиз

=81-0С2И5+Н20^=81-0Н+С2Н50И; =А1-0С4Н9+Н20^=А1-0Н+С4Н90Н;

- поликонденсация

^-0Н+Н0-Л1=^^-0-А1= +Н20.

Такая схема является лишь формальным отображением процессов гидролиза и поликонденсации, позволяющая дать общее представление о сути золь-гель технологии. Многие исследователи считают, что установить последовательность химических превращений в данном случае затруднительно, поскольку одновременно с гидролизом начинают протекать реакции поликонденсации, и эти процессы не удается разделить во времени и описать количественно.

Существенное преимущество метода ИК спектроскопии состоит в том, что, в отличие от традиционных разновидностей рентгеноструктурного анализа, он дает возможность получить важную информацию о структуре силикатов и подобных им материалов не только в кристаллическом, но и в аморфном, и расплавленном состояниях [10].

На рисунке показаны инфракрасные спектры золь-геля после различных режимов термообработки. Для исходного геля характерна широкая площадка в области частоты излучения волны у=3200-3400 см-1, что обусловлено антисимметричными и симметричными валентными колебаниями группы ОН-. На деформационные колебания молекулы воды указывает хорошо выраженный пик в области у=1680 см-1. Присутствие нитратных и этокси-групп подтверждается наличием полос поглощения в области 870 и 1420 см-1 соответственно, причем для этокси-группы характерна очень интенсивная полоса поглощения. Полоса поглощения при у=1120 см-1 относится к валентным колеба-

ниям связи =Si—OH, а пик при v=620 см"1 указывает на колебания группы ОН" (вращательные движения молекул воды в кристаллической решетке).

После сушки при температуре 70°С инфракрасный спектр практически не меняется, в нем присутствуют те же полосы поглощения, которые несколько смещены в сторону меньших частот. Так, полоса, характеризующая деформационные колебания молекулы воды, сдвинулась в область v=1620 см"1; этокси-группам соответствует пик при v=1350 см-1 - интенсивность его заметно снизилась.

Нитро-группам соответствует пик при v=820 см-1. Полоса поглощения при v=1080 см-1 характерна для валентных колебаний связи =Si—OH. Однако уже на стадии сушки в геле начинают протекать реакции поликонденсации с образованием связи =Si—O—Si=, в этом случае на ПК спектре наблюдается совмещение полос поглощения, соответствующих колебаниям связей групп =Si—OH и =Si—O—Si=.

Кальцинация существенно изменяет вид спектра - в нем всего две полосы поглощения: при v=980 см-1, характерной для валентных колебаний связи =Si—O—Sr, и v=700 см-1 - колебания группы [AlO4]-.

После термообработки наблюдается суперпозиция большого количества полос поглощения с хорошим разрешением, относящихся к моноклинной форме стронциевого анортита.

Результаты исследований позволили установить эволюционный характер изменения структуры в процессе переходов «раствор^-гель^-кристаллическая фаза». Методом ПК спектроскопии показано, что химические связи, характерные для керамических и стеклокерамических материалов, в значительной мере сформированы уже в исходных гелях. Образование связей Si-O-Si, Si-O-Me и Al-O-Al в гелях подтверждается снижением температуры образования кристаллических фаз по сравнению с традиционным синтезом стеклокристаллических материалов в процессе термической обработки. Установлено, что основной кристаллической фазой в структуре является стронциевый анортит с температурой плавления 1760°С.

ЛИТЕРАТУРА

1. Саркисов П.Д., Орлова Л.А., Уварова НЕ., Гращенков Д.В., Исаева Н.В. Высокотемпературные радиопрозрачные материалы: сегодня и завтра //Авиационные материалы и технологии. 2010. № 1. С. 16-21.

2. Саркисов П.Д., Гращенков Д.В., Орлова Л.А., Уварова НЕ., Попович Н.В. Современные достижения в области создания высокотемпературных радиопрозрачных материалов //Техника и технология силикатов. 2009. Т. 16. № 1. С. 2-10.

3. Каблов E.H., Гращенков Д.В., Исаева Н.В., Солнцев С.С. Перспективные высокотемпературные керамические композиционные материалы //Журнал РХО им. Д.И. Менделеева. 2010. Т. LIV. № 1. С. 20-24.

4. Христов Ц.И. Золь-гель технология силикатных материалов. М.: РХТУ. 1995. 232 с.

Частота излучения ^10-2, см-1

Инфракрасные спектры золь-геля до

5. Frety N., Taylor A., Lewis M.H. Microstructure and Cristallization Behavior of Sol-Gel Derived SrOo,5-BaOo,5-Al2O3-2SiO2 Glass-Ceramic //J. of non-cristalline solids. 1996. V. 195. №1-2. P. 28-37.

6. Schmidt H., Jonschker G., Goedicke S., Mennig M. The sol-gel process as a basic technology for nanoparticle-dispersed inorganic-organic composites. //J. of Sol-Gel Sci. and Techn. 2000. V. 19. P. 39-51.

7. Максимов А.И., Мошников В.А., Таиров Ю.М., Шилова O.A. Основы золь-гель технологии нанокомпозитов. СПб.: ЛЭТИ. 2008. 254 с.

8. Turner C.W. Sol-gel process - principles and applications //Amer. Ceram. Soc. Bull. 1991. V. 70. №9. P. 1487-1490.

9. Haas P.A. Gel process for preparing ceramics and glasses //Chem. Eng. Progr. 1989. V. 25. №4. P. 44-52.

10. Павлушкин H.M., Сентюрин Г.Г., Хадаковская Р.Я. Практикум по технологии стекла и ситаллов. М. 1970. 512 с.

УДК 669.245.018.44:629.7

Б.С. Ломберг, М.М. Бакрадзе, Е.Б. Чабина, Е.В. Филонова

ВЗАИМОСВЯЗЬ СТРУКТУРЫ и свойств ВЫСОКОЖАРОПРОЧНЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ ДЛЯ ДИСКОВ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Представлены основные направления развития жаропрочных сплавов для дисков газотурбинных двигателей, сформулированы требования к дисковым материалам, показаны тенденции развития жаропрочных сплавов для дисков современных и перспективных ГТД. Установлено влияние химической, фазовой и структурной неоднородности, а также технологических факторов на свойства сплавов. Обоснованы, разработаны и реализованы принципы получения регламентированной микроструктуры в штамповках слож-нолегированных жаропрочных дисковых сплавов, обеспечивающей необходимый комплекс эксплуатационных свойств.

Ключевые слова: диски турбин, состав, структура, ликвация, фаза, свойства.

Требования к дисковым материалам

В большинстве современных ГТД диски турбины и последних ступеней компрессора подвергаются неравномерному, часто нестационарному нагреву (ободная часть: 550-800оС, ступичная: 300-550оС).

Пределы прочности, текучести, ползучести и малоцикловая усталость являются основными контролируемыми свойствами дисков; подчеркнем, что сопротивление малоцикловой усталости особенно лимитирует долговечность диска. Таким образом, создание дисков, способных работать в условиях резкого возрастания значений параметров для двигателей V и VI поколений, является сложной и ответственной задачей. Механизмы упрочнения, ответственные за предел прочности и длительную прочность, имеют разную природу. Поэтому одновременное достижение их высоких значений представляет самостоятельную, весьма сложную проблему.

Для обеспечения работоспособности дисков из никелевых сплавов к материалу предъявляются следующие основные требования:

- высокий уровень длительной и кратковременной прочности во всем диапазоне рабочих температур;