WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

SiO2 + С = SiO + СО Образуются вакансии, создается градиент концентраций металлоидов (С, О), вызывающий диффузию. Активная роль в образовании карбидов принадлежит газовой среде. Если оксид элемента в низшей степени окисления легко возгоняется, то происходит его адсорбция на твердом углероде и процесс превращения оксида в карбид. И так, оксид SiO2 образует летучий субоксид SiO, который может взаимодействовать с углеродом:

SiO + 2 C = SiC + CO На снимках с электронного микроскопа видно, что карбиды SiC действительно образуются на углеродной микросфере и в углеродной матрице (рис.

1 и 2).

Итак, образование карбида кремния происходит на твердом углероде по следующей схеме: SiO2-----> SiO -----> SiC Рис. 1. Микроструктура материала Рис. 2. Микроструктура материала состава (SiO2 55% масс.) увел. х90. состава (SiO2 55% масс.) увел. х700.

В четвертой главе - применение методов математической оптимизации для определения зависимости состав-свойство и дальнейшее использование полученных результатов в улучшении технологических параметров изготовления термостойких композиционных пеноматериалов.

С помощью матриц планирования экспериментальные данные по физикомеханическим свойствам были обработаны по соответствующей методике с целью получения уравнений регрессии, связывающих отклик системы (свойство) с факторами симплекс-решетчатого плана (содержание компонентов исходной смеси).

Все полученные в диссертационной работе уравнения регрессии адекватно описывают экспериментальные измерения. На основании найденных уравнений регрессии строились поверхности отклика в виде проекций линий равных значений свойств на симплекс. Для решения задачи, построения проекций линий равных значений определенных свойств, применялась программа, разработанная диссертантом.

В результате предварительных экспериментов для построения сдвоенных симплекс-треугольников были выбраны области составов для системы:

SiO2 – СФЖ-УМ SiO2 – СФЖ – ПКМ SiO2 55 – 71,25 масс.%; SiO2 50 – 62,25%;

СФЖ 19,5 – 30,25%; СФЖ 25,25 – 37,5%;

УМ 4,25 – 20%. ПКМ 8 – 15,5%.

В этих интервалах концентраций компонентов были получены наибольшие значения механической прочности образцов. Кроме того, в данных областях находятся составы, соответствующие стехиометрическому карбиду кремния.

Адекватные модели систем имеют вид полиномов третьей степени.

Коэффициенты полиномов представляют собой линейные комбинации значений функций отклика, наблюдаемых в точках симплексных решеток.

Кажущаяся плотность () системы SiO2 – СФЖ – УМ (рис.3) зависит от концентраций компонентов по уравнениям:

2 1 9,745 95,691х2 31,261х3 31,991х2х3 382,584х2 197,147х, 2 2 3 470,969х2 х3 1073,832х2х3 584,291х2 240,483х2 21,156 326,136х2 89,627х3 125,373х2х3 1341,843х2 618,037х, 2 2 3 816,716х2 х3 720,546х2х3 1688,063х2 886,253хгде х2 – содержание СФЖ в смеси, масс.%;

х3 – содержание УМ в смеси, масс.%.

Уравнения регрессии для прочности при сжатии для системы SiO2 – СФЖ - ПКМ (рис.4) имеют вид:

1 108,82 3836,07х2 677,86х3 40660,28х2 х3 20280,19х;

2 2 2 3 34569,31х3 215413,87х2 х3 137765,94х2 х3 20771,35х2 26684,36х 461,98 3778,96х2 4440,91х3 37717,31х2х3 7430,46х.

2 2 2 3 9188,48х3 67642,55х2 х3 27582,68х2 х3 1299,61х2 96737,41хгде х2 – содержание СФЖ в смеси, масс.%;

х3 – содержание ПКМ в смеси, масс.%.

Подобным образом были обработаны экспериментальные результаты плотности, теплопроводности и электропроводности.

Применение метода математического планирования эксперимента для диаграмм состав - свойства, где в качестве функции отклика использованы свойства получаемого материала, позволяет оптимизировать технологический процесс применительно к конкретным условиям эксплуатации изделия.

Рис. 3. Проекции линий равных Рис. 4. Проекции линий равных значений плотности системы SiO2- значений прочности системы SiO2УМ-СФЖ ПКМ-СФЖ В пятой главе разработана технология получения термостойких композиционных пеноматериалов.

На основе исследований, представленных в предыдущих главах, была разработана технология изготовления композитов. Технологическому процессу предшествует выбор исходных материалов. Для создания пористости в композицию вводят углеродные микросферы определенной фракции, которые при необходимости можно заменить фенолформальдегидными микросферами или ценосферами. В качестве карбидообразующих компонентов использован высокодисперсный порошок оксида кремния. Связующее - фенолформальдегидная смола. Модификатор – кубовый остаток перегонки этилсиликатов. Соотношение компонентов в смеси варьируется в зависимости от прогнозируемых физикомеханических свойств получаемого композита.

Технологическая схема производства композиционных материалов включает операции дозирования, смешения, прессования, отверждения и термообработки. В зависимости от состава исходной композиции прессование изделий производили при давлении 0,1 - 1,0 МПа, термообработка осуществлялась при температуре 1500°С.

Для очистки технологических выбросов от вредных газов проводили их каталитическое дожигание.

Большое количество экспериментальных задач в химии и химической технологии формулируется как задачи экстремальные: определение оптимальных условий процесса, оптимального состава композиции и т.д. Планирование эксперимента позволяет варьировать одновременно несколько факторов и получать количественные оценки эффектов взаимодействия. Применение методов планирования значительно повышает эффективность эксперимента. Поэтому в данной работе для определения оптимальных параметров технологического процесса с использованием кремнийорганических отходов применяли метод планирования эксперимента по композиционному плану Бокса-Вильсона.

Область поиска экстремума ограничена следующими параметрами:

температура отвержения изделий 110-150°С (X1), время отверждения изделий при заданной температуре 60-120 минут (X2), количество кремнийорганического отхода в процентах от массы композиции 0-20% (X3). Область, близкую к экстремуму, называют стационарной областью. Для адекватного описания математической модели были использованы нелинейные полиномы.

Для описания поверхности отклика полиномами второго порядка независимые факторы в плане должны принимать не менее трех разных значений.

В результате расчетов по матрице с преобразованными столбцами для квадратичных эффектов получили уравнение вида Y`=b(1)+b(2)·x1+b(3)·x2+b(4)·x3+b(5)·x1·x2+b(6)·x1·x3+b(7)·x2·x3+ +b(8)·(x12-2/3)+b(9)·(x22-2/3)+b(10)·(x32-2/3), где b(1) – b(10) – коэффициенты уравнения регрессии.

При условии соответствующем Y`мах=100%, решением данного уравнения являются оптимальные параметры проведения технологического процесса – температура и время отверждения, количество кремнийорганической составляющей.

Поверхность отклика, изображенная на рис.5, показывает зависимость прочности при сжатии композиционного пеноматериала от температуры и времени отверждения при заданном количестве вводимой добавки кремнийорганики в исходную композицию. Наибольшее значение прочности при сжатии достигается при температуре 135°С, времени отверждения 97 минут и количестве кремнийорганической добавки 10% масс.

Рис. 5. Поверхность отклика прочности при сжатии в зависимости от температуры и времени отверждения изделий при введении в композицию 10% масс. кремнийорганических отходов.

Проекции линий равных значений прочности при сжатии полученных материалов (рис. 6) позволяют более точно определить оптимальную температуру и время отверждения, при заданном количестве кремнийорганической добавки (% масс.).

В полученных оптимальных условиях были поставлены контрольные опыты, которые подтвердили адекватность предложенной математической модели.

Рис. 6. Проекции линий равных значения прочности при сжатии в зависимости от температуры и времени отверждения изделий при введении в композицию 10% масс. кремнийорганических отходов.

Использование отхода кремнийорганического производства в качестве модифицирующей добавки при производстве композиционных пеноматериалов приводит к улучшению физико-механических свойств. Это позволит обеспечить рациональное использование природных сырьевых материалов, снизить затраты топливно-энергетических ресурсов и утилизировать жидкие отходы кремнийорганического производства.

В шестой главе обсуждается применение различных видов промышленных отходов для получения термостойких композиционных пеноматериалов.

Утилизация отходов промышленных производств является важнейшей экологической проблемой. Углеродные микросферы не единственный порообразующий агент, который возможно применять при производстве синтактных композиционных материалов.

Так же в качестве порообразователя могут служить полые керамические микросферы (ПКМ). За рубежом данные материалы получили название ценосферы. ПКМ – часть дымовых выбросов тепловых станций, работающих на угле. Химический состав ПКМ показал, что материал состоит в основном из SiO(60% масс.) и Al2O3 (28% масс.).

Физико-механические свойства полученных композиционных материалов представлены в табл. 1.

Таблица Физико-механические свойства синтактных композитов с углеродными (УМ) и полыми керамическими микросферами (ПКМ) Состав исходной смеси, % масс Свойства ЛК МСФ СФЖ ·10-3, кг/м3, МПа, См/м УМ 50 23 27 0,637 2,26 1062,50 20 30 0,769 4,67 1024,64 16 20 0,760 1,69 703,64 13 23 0,939 2,81 881,80 5 15 1,345 4,18 81, ПКМ 50 31 19 1,077 6,61 158,50 29 21 1,095 7,91 220,60 25 15 1,166 9,97 149,60 21 19 1,246 7,61 156,75 10 15 1,520 6,75 139,В производственных условиях были проведены экспериментальные исследования удерживающих свойств пеноуглеродных и пенокарбидных материалов, полученных по разработанной технологии (приведена в разделе данной диссертационной работы) при использовании их в качестве фильтроматериала для очистки газообразного азота от продуктов деления (ПД) ядерного топлива.

Промышленное опробование проводили на реакторных стендах НПО "Луч" Объединенной экспедиции г. Семипалатинск - 21.

Целью постановки данных испытаний было получение информации, характеризующей процесс насыщения пеноматериалов радионуклидами и изменение в связи с этим их фильтрующих свойств.

На основании полученных экспериментальных результатов можно утверждать, что кремнийсодержащие пенокарбидные материалы могут найти применение при создании систем очистки газов от радиоактивных продуктов деления, особенно для высокотемпературных магистралей.

Выводы 1. Впервые получены новые термостойкие композиционные пеноматериалы на основе карбида кремния из исходной смеси: углеродные микросферы – фенолформальдегидная смола – карбидообразующие наполнители.

2. Методами рентгенофазового анализа, электронной сканирующей микроскопии и химического анализа установлены механизмы взаимодействия исходных веществ и структура материала. Показано образование карбида кремния на углеродной микросфере и в углеродной матрице.

3. Проведены термодинамические расчёты стандартной свободной энергии Гиббса (G°) при температуре 2000 К для оценки полноты протекания реакций образования карбидов в системах Si – C – O.

4. Выявлены оптимальные температуры обработки и время выдержки образцов, содержащих в качестве карбидообразователей: SiO2 – 1600°С (в вакууме) и 60 минут; SiO2 – 1700°С (в азоте) и 60 минут.

5. Изучены физико-механические свойства пенокарбидных материалов.

Показано, что плотность пеноматериалов изменяется в пределах 200 – 2000 кг/м3, предел прочности при сжатии – 0,1 - 7,0 МПа, коэффициент теплопроводности – 0,- 1,5 Вт/м·К, электропроводность – 10 - 40 См/м.

6. Установлены основные закономерности изменения свойств в зависимости от состава. Наиболее лёгкими материалами ( = 200 - 300 кг/м3) с наименьшими значениями тепло- и электропроводности являются пенокарбиды кремния, особенно при введении кремнезёма SiO2 в исходную смесь. Сравнительно тяжёлые ( = 1100 – 2000 кг/м3) пенокарбиды кремния, получаемые с пористыми керамическими микросферами, обладают наибольшими значениями предела прочности и теплопроводности.

7. Исследована коррозионная стойкость материалов в окислительной атмосфере при высокой температуре. Выявлена зависимость окисления материала от исходного состава.

8. С помощью матриц планирования данные по физико-механическим свойствам сведены в уравнения регрессии для плотности, предела прочности при сжатии, коэффициента теплопроводности и электропроводности в зависимости от состава.

9. Решение уравнений регрессии при заданных значениях свойств позволяет построить проекции линий равных значений свойств на симплекс, с помощью которых можно прогнозировать составы пенокарбидов с необходимыми в каждом конкретном случае применения физико-механическими свойствами.

10. Проведены испытания разработанных материалов в качестве фильтров для очистки газообразного азота от продуктов деления ядерного топлива.

Пеноматериалы обеспечивают коэффициент удержания радионуклидов до 0,7.

Установлено, что, имея важное преимущество с точки зрения экологической безопасности, пенокарбиды могут служить фильтроматериалом при создании систем очистки газов от радиоактивных продуктов деления, особенно при высоких температурах.

11. Получены пеноматериалы на основе отходов Ярегского нефтехимического месторождения с широким спектром физико-механических свойств.

12. Получены пеноматериалы на основе отходов тепловых станций с возможностью варьирования теплофизических характеристик.

13. Получены материалы с улучшенными физико-механическими свойствами при использовании кремнийорганических отходов, как модифицирующей добавки.

14. Рассмотрена возможность применения горелых формовочных земель, в качестве карбидообразующих добавок, для изготовления пеноматериалов с регулируемыми физико-механическими свойствами.

15. Разработана технология получения пенокарбидных материалов.

16. Разработанные термостойкие композиционные пеноманоматериалы могут найти применение как жаростойкие конструкционные материалы при строительстве тепловых и атомных электростанций, а также сооружений металлургической и химической промышленности, работающих в условиях высоких температур.

Список опубликованных работ по теме диссертации 1. Задорожный И.В., Кузурман В.А., Чухланов В.Ю., Сысоев Э.П.

Пенокерамические материалы на основе отходов нефтехимического производства // Журнал «Стекло и керамика» - 2008. - №11. – с. 19-20.

2. Задорожный И.В., Кузурман В.А., Чухланов В.Ю. Жаростойкие материалы на основе синтактных пенопластов с использованием отходов промышленных производств // Журнал «Строительные материалы» - 2008. - №10. – с. 40-41.

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»