Лекция № 2 icon

Лекция № 2


Смотрите также:
Вводный семинар, вводная лекция, занятия по целе-полаганию, лекция-беседа...
Лекция 20. 03. 12. Модели для исследования и оценки в pr лекция 27. 03. 12...
Лекция Фьючерсные контракты Лекция Фьючерсы на акции...
Курс лекций Лекция Введение в земледелие. Лекция Научные основы земледелия...
Лекция Историография как научная дисциплина Лекция Исторические знания в Древней Руси...
Лекция Сионизм в оценке Торы Лекция Государство Израиль испытание на прочность...
Лекция Введение в социологию 6 Лекция Становление и основные этапы развития социологии. 20...
План лекционных занятий Лекция Развитие аудиальных средств информации. Лекция 2...
Курс лекций Москва 2008 Содержание Лекция Введение 4 Лекция Научные знания в средневековой Руси...
Лекция Историография как научная дисциплина Лекция Исторические знания в Древней Руси...
Лекция №2 от 25. 09. 2008г. Упанишады...
Лекция Введение в бд и субд. Модели данных 2 Лекция Инфологическая модель «Сущность-связь»...



Загрузка...
скачать
ЛЕКЦИЯ № 2


ПРОЦЕССЫ МИНЕРАЛЬНОГО И СТРУКТУРНОГО

ИЗМЕНЕНИЯ В ТЕХНИЧЕСКОМ КАМНЕ


В настоящее время используют следующие способы синтеза технического камня, монокристаллов и неорганических соединений:

1. Высокотемпературный твердофазный синтез;

2. Получение кристаллических и аморфных материалов из расплава;

3. Кристаллизация из раствора;

4. Кристаллизация из раствора-расплава;

5. Кристаллизация из газовой фазы.

У каждой разновидности технического камня и искусственных соединений специфические особенности производства. Причем, любая технология производства технического камня – это совокупность приемов и операций направленного изменения вещественного состава и структуры исходного сырья с целью получения материалов и изделий с заданными свойствами. Так, например, схема получения керамики и огнеупорных изделий заключается в подборе исходных веществ, дроблении, измельчении, рассеве материала на гранулометрические фракции, смешивании компонентов и термической обработке в заданном режиме. Исходные материалы последовательно испытывают воздействие механических напряжений и возрастающих температур.


^ ГЛАВНЫЕ СТАДИИ ТЕРМИЧЕСКОГО СИНТЕЗА ИСКУССТВЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ


Низкотемпературные превращения минералов

при механическом воздействии


Дробление, измельчение, обогащение, прессование исходных веществ осуществляется, обычно, без принудительного нагрева, в условиях нормальной температуры. Механическое воздействие (механогенез) приводит к структурным и фазовым изменениям минерального вещества. Классификация различных проявлений механогенеза приведена в табл. 1.

Длительное механическое воздействие приводит к нарушению кристаллической структуры: зарождению и развитию трещин, формированию зон скольжения, механическому двойникованию, блокованию. При этом, происходят химические превращения: удаление кристаллизационной воды (например, переход гипса CaSO4 · 2H2O в ангидрит (CaSO4), диссоциация минералов (сидерит FeCO3 переходит в FeO), полиморфные превращения, переход в аморфное состояние и другие преобразования.

При прессовании издробленного, измельченного и смешанного минерального вещества на него воздействует высокое удельное давление (~ 1000 МПа и более). Это приводит к формированию планарных текстур. Степень ориентации частиц зависит от их морфологии. В прессовках формируются трещины, преобразуются и перераспределяются поры и твердые частицы. Механогенез сопровождается более сложными физико-химическими превращениями. К числу таких явлений относятся эффекты снижения пластичности и прочности твердого тела вследствие адсорбции поверхностно-активных веществ (эффект Ребиндера). Механогенные превращения минерального вещества могут быть связаны с напряжениями, проявляющимися в результате термических и структурных преобразований.

В первую стадию (Т1000оС) в материале происходит разрушение структуры природных минералов и образование новых соединений. Главные виды изменений заключаются в:

1. Обезвоживании кристаллогидратов;

2. Испарении адсорбционной воды;

3. Разложении гидрооксидов;

4. Окислении органических примесей;

5. Диссоциации карбонатов;

6.Диссоциации водных силикатов;

7. Полиморфных и других превращениях.

Р



Среднетемпературные процессы твердофазного

синтеза (Вторая стадия)


Термическая обработка керамических изделий является определяющей стадией керамической технологии. Тепловое воздействие осуществляется по заданному режиму при температурах ниже точки плавления основного материала. Различают следующие последовательные стадии термической обработки: сушка, прокаливание (кальцинация – удаление летучих), обжиг, отжиг, закалку и др. При термической обработке (пирогенезе) в минеральном веществе происходят фазовые и структурные превращения преимущественно в твердом состоянии, или с ограниченным количеством примесного (модифицирующего) расплава. Процессы высокотемпературной обработки технических материалов проявляют наибольшую аналогию с физико-химическими преобразованиями горных пород при контактово-термальном метаморфизме.

Во вторую стадию при температуре 1000-1500оС осуществляется формирование структуры керамических изделий.В материале происходят следующие изменения:

1. Окислительно-восстановительные реакции;

2. Твердофазное спекание;

3. Перекристаллизация с участием расплава и газовой фазы;

4. Твердофазные реакции с участием расплава и газовой фазы;

5. Жидкостное спекание;

6. Коалесценция (слияние) и сфероидизация пор;

7. Твердофазная рекристаллизация с участием флюидов.



Высокотемпературная область изменения

керамических изделий


Нижней границей высокотемпературной области следует считать 1500оС. В этой области температур резко усиливаются диффузионные процессы, реакционная способность веществ, скорость различных превращений, в том числе термической диссоциации и сублимации. Прочностные свойства резко ухудшаются. Все вещества приобретают тенденцию к диссоциации. При длительном воздействии высоких температур происходит термическое старение неорганических материалов. Область температур > 0,8 Тплавл. Считают областью термического разрушения.

Третья стадия (Т=1500-2000оС)характеризуется термическим разрушением структуры керамических изделий и кристаллизацией фаз из флюидов.Главные процессы протекающие в материале:

1. Дополнительное спекание;

2. Аномальный рост зерен в твердой фазе;

3. Сублимация;

4. Термическая диссоциация и испарение;

5. Плавление;

6. Кипение.


^ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПИРОГЕННЫХ ПРОЦЕССОВ СТРУКТУРНОГО И МИНЕРАЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ


Поведение минералов и горных пород при нагревании


Температура является ведущим фактором структурного и минерального преобразования веществ, особенно находящихся в дисперсном состоянии. Общая последовательность превращений: спекание, собирательная рекристаллизация, плавление, испарение.

Спекание – уплотнение и упрочнение материала за счет массопереноса вещества (диффузии атомов, ионов, вакансий), вязкого течения твердого вещества с участием жидкой и газовой фазы.

Относительная температура спекания составляет 0,6-0,8 температуры плавления, Тсп. = (0,6-0,8) Тпл.. Она зависит от состава, степени дисперсности материала.

Спекание сопровождается собирательной рекристаллизацией, увеличением размера зерен кристаллов, изменением морфологии и количества пор (возможна коалесценция), полиморфными превращениями, диссоциацией, химическими реакциями, переходом высших оксидов в низшие.

Конечным продуктом стадии спекания является керамическое изделие.


Рекристаллизация


Термин рекристаллизация означает повторный рост зерен. Различают первичную, собирательную и вторичную рекристаллизацию.

Первичная рекристаллизация происходит при нагревании пластически деформированных материалов и представляет собой образование центров кристаллизации и рост новых зерен, не имеющих внутренних напряжений.

Движущей силой процесса является избыточная свободная энергия материала за счет его дефектной структуры, обусловленной пластической деформацией. Особенно охотно первичная рекристаллизация развивается в деформированных металлах и в тонкоизмельченных порошках периклаза, извести и других искусственных материалах, обладающих пластичностью.

Исходные деформированные кристаллы с повышенной плотностью дефектов замещаются более совершенными новообразованиями с другой кристаллографической ориентировкой. Первичная рекристаллизация происходит скачкообразным перемещением границ новых зерен со скоростью на несколько порядков большей, чем при обычной диффузии. Зародыши ненапряженных (новых) зерен образуются в наиболее деформированных участках (границы зерен, линии скольжения, плоскости двойникования). Температура первичной рекристаллизации у металлов составляет – Трекрист. = 1/3 Тплавл., у оксидов Трекрист. = 0,5 Тплавл.

Полигонизация является конкурирующим более низкотемпературным процессом первичной рекристаллизации. Температура полигонизации на несколько сотен градусов ниже Трекрист. Обязательное условие полигонизации – наличие деформации изгиба.

Полигонизация – процесс образования полигональной структуры в изогнутом кристалле при термической обработке. Новые границы субзерен ориентируются перпендикулярно к плоскостям скольжения.

Полигонизация сопровождается уменьшением внутренних напряжений и укрупнением блоков кристаллов.

Собирательная рекристаллизация – твердофазный рост кристаллов в поликристаллическом материале под воздействием температуры. В отличие от первичной рекристаллизации собирательная рекристаллизация осуществляется без предшествующей деформации вещества.

Движущей силой собирательного роста зерен является уменьшение свободной энергии системы за счет снижения суммарной поверхности межкристаллических границ в поликристаллическом теле.

Собирательная рекристаллизация осуществляется при спекании. В начальной стадии, когда пористость еще велика (превышает 50 % объема) интенсивность рекристаллизации невелика. Заметный рост кристаллов начинается после уменьшения общей пористости до 10-15 % и далее интенсифицируется по мере уплотнения материала.

Отрицательное воздействие на рост кристаллов оказывают поры и примесные твердые включения – они препятствуют миграции границ растущего кристалла. Необходимым условием собирательной рекристаллизации – непрямолинейность границ и различная кривизна границ исходных зерен. При вогнутой поверхности энергия имеет меньшее значение, чем при выпуклой, что приводит к перемещению криволинейной границы к центру ее кривизны. Прямолинейные границы остаются в стабильном состоянии.

В идеальном случае в результате собирательной рекристаллизации формируется правильная полигонально-зернистая структура с гексагональной формой зерен и прямолинейными границами.

Вторичная рекристаллизация происходит при длительной высокотемпературной обработке материала в интервале 0,7 – 0,9 Тплавл. Она представляет собой аномальный избирательный рост отдельных кристаллов за счет поглощения других по принципу геометрического отбора с различием в кривизне границ и неравномерным распределением примесей и пор.

Вторичная рекристаллизация, обычно, проявляется при длительной эксплуатации материалов в условиях высоких температур. Итогом является образование крупнозернистой структуры, приводящей к так называемому «термическому старению» материала. Аномальный рост кристаллов, имеющих значительные напряжения, может вызвать преждевременное разрушение изделия или снизить прочностные и физико-химические свойства. Предельный размер кристаллов может достигнуть размеров образца.


Изменение пористости при температурном воздействии


В практике технической минералогии и петрографии при характеристике пористости различают: истинную, открытую, закрытую, канальную, тупиковую и другие виды пористости. При этом отмечают понятия, характеризующие технические свойства изделий как удельную поверхность пор, их размер и распределение в материале.

По происхождению и расположению пор условно выделяют следующие их типы: межзерновые; внутризерновые; трещины измельчения, прессования; сушки и др.

При термической обработке происходит коренное изменение строения материала, в том числе морфологии, размера и распределения пор. Может происходить коалесценция пор, их затягивание (исчезновение), изменение пикнометрической плотности материала и ее неизменность.


Жидкофазное спекание


При термическом обжиге образуется расплав (до 8-10 % объемной доли), который существенно влияет на механизм и кинетику спекания.

У. Кингери обращает внимание на появление механизма перераспределения твердых частиц и уплотнения материала под воздействием капиллярных сил. Уплотнение технического материала при появлении расплавной фазы достигается заполнением расплавом пространства и выделением из него кристаллической фазы (растворение-осаждение). Это приводит к уменьшению общей пористости и интенсивной собирательной рекристаллизации и формированию жесткого минерального сростка.


Синтез технического камня из расплава


В промышленности из расплава получают продукты стекольного производства, каменное литье, ситаллы, металлургические шлаки, плавленые огнеупоры и клинкеры для производства глиноземного и высокоглиноземистого цемента. Отрасль высокотемпературной технологии синтеза поликомпонентных материалов путем расплавления исходного сырья получила название петрургии.

Стадии и приемы процесса заключаются в подготовке шихты, нагрев до полного плавления, изотермическая выдержка расплава при заданной температуре, охлаждение расплава с оптимальной скоростью с целью получения промпродукта с заданными свойствами.


Понятие о расплаве


Силикатные расплавы – жидкие полиэлектролиты, состоящие из комплексных кремнекислородных анионов [SinOm]x-, катионов петрогенных элементов (Ca2+; Mg2+; Al3+; Fe3+; Fe2+; Na+; K+;Ti4+), свободного О2- и других составляющих. Состав и свойства силикатных расплавов предварительно можно оценить содержанием кремнезема.

По содержанию кремнезема выделяют три типа силикатных расплавов:

1. Кислые – с содержанием SiO2, превышающем таковое для трисиликата (O/Si ≤ 2,67;

2. Средние – с содержанием SiO2, соответствующим составам от метасиликата до трисиликата (3 ≥ О ≥ 2,67);

3. Основные – с содержанием SiO2, не превышающем его содержание в метасиликате (О/Si ≥ 3).

В состав анионных группировок входят Al3+ и Ti4+, замещающие Si4+ в кремнекислородных комплексах. Поэтому предложено кислотность расплавов характеризовать отношением О/ΣSi+Al+Ti, выраженных в ионных количествах.

С увеличением кислотности возрастает вязкость, снижается кристаллизационная способность. Высоковязкие расплавы затвердевают в виде стекла.

Стекло некристаллическое вещество, получаемое из переохлажденного расплава независимо от химического состава, в том числе и металлов.

Кристаллизационная способность обусловливается суммарным эффектом количественного показателя зарождения центров кристаллизации и скорости роста кристаллов. Максимумы этих процессов не совпадают. Кинетика затвердевания (кристаллизации) силикатных расплавов изучена недостаточно.


Таблица 1. Механогенные превращения минерального вещества в техническом камне (по В.А. Перепелицину с изменениями)


Термоди-намический фактор

Технологические

процесс и условие

Геологический аналог

процессов

Превращения в техническом камне

общие

«элементарные»

Рмех


Ртерм.


Р стр.

Дробление

Измельчение


Прессование


Термические напряжения первого рода


Термические напряжения второго рода (физические, химические, физико-химические)

Низкотемпературные напряжения

Брекчирование

Катаклаз

Милонитизация


Уплотнение и диагенез осадков;

Денамический метаморфизм


Физические выветривания (дезинтеграция)

Закалочные явления и др.


Контактово-термальный метаморфизм

Метасоматоз

Автометаморфизм

Хрупкое разрушение

Упругая деформация

Механохимические процессы

Эффект Ребиндера


Перераспределение конденсированных фаз и пор

Формирование первичной

текстуры изделия


Хрупкая деформация

Формирование рыхлых зон

Разрушение


Разрыхление

«Разбухание»

Усадочные явления

Структурное растрескивание

Скалывание

«Шелушение»

Движение дислокаций

Зарождение трещин

Рост трещин

Химические реакции

Полиморфные превращения

Адсорбционные явления

Искажения кристаллической структуры. Скольжение. Образование перепрессовочных трещин и сводовых пор


Скольжение

Механическое двойникование

Блокование

Сбросообразование и др.

Пластическое течение

Образование вискеров давления

Зарождение трещин


Рост трещин

Проявление кристаллизационного давления

Проявления усадочных напряжений

Воздействие химических напряжений


Воздействие физико-химических напряжений



* Рмех., Ртерм., Рстр. – напряжения, обусловленные соответственно внешними механическими нагрузками, термическими воздействиями и структурными превращениями.


Таблица 2. Температурные стадии твердофазного синтеза

ТоС




< 1000оС

1000-1500оС

1500 ≥ 2000оС

Первая стадия

Разрушение структуры природных минералов и образование новых соединений

Вторая стадия

Формирование структуры керамичес-ких изделий

Третья стадия

Термическое разрушение структуры керамических изделий, кристаллиза-ция фаз из флюидов

1. Обезвоживание кристаллогидратов


2. Испарение адсорбционной воды


3. Разложение гидрооксидов


4. Окисление органических примесей


5. Диссоциация карбонатов

6.Диссоциация водных силикатов

7. Полиморфные и другие превращения


Р


1. Окислительно-восстановительные реакции


2. Твердофазное спекание


3. Перекристаллизация с участием расплава и газовой фазы

4. Твердофазные реакции с участием расплава и газовой фазы

5. Жидкостное спекание

6. Коалесценция (слияние) и сфероидизация пор

7. Твердофазная рекристаллизация с участием флюидов



1. Дополнительное спекание


2. Аномальный рост зерен в твердой фазе


3. Сублимация


4. Термическая диссоциация и испарение


5. Плавление

6. Кипение

Р




Скачать 141,29 Kb.
оставить комментарий
Дата23.01.2012
Размер141,29 Kb.
ТипЛекция, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

отлично
  1
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

Загрузка...
База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Загрузка...
Документы

наверх