Разработка режимов обжига плотной оксидной керамики на основе пространственной модели спекания

• Автор: Першиков, Сергей Александрович
• Шифр специальности: 05.17.11
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 138 с.

Оглавление

1. Введение.

2. Состояние вопроса

2.1. Современные подходы к описанию процесса спекания

2.1.1. Физические модели спекания.

2.1.2. Описания спекания в общем виде.

2.1.3. Феноменологическое описание спекания.

2.1.4. Прикладные исследования

2.2. Методы исследования и моделирования спекания.

2.2.1. Модельные физические эксперименты

2.2.2. Феноменологические и прикладные эксперименты г.

2.2.3. Численное моделирование процесса спекания
2.3. Теплотехнические аспекты разработки режимов обжига керамических изделий
2.3.1. Методы расчета распределения температур в теле.
2.3.2. Расчетная оценка теплофизических свойств керамики
2.4. Выводы.
2.5. Цель и постановка работы.
3. Расчетная методика разработки режимов обжига плотной керамики.
3.1. Общие положения и предварительные допущения
3.1.1. Стадии спекания и модели структуры.
3.1.2. Механизмы спекания.
3.2. Основные положения методики расчета спекания.
3.2.1. Выбор геометрии упаковки частиц
3.2.2. Модель простейшей кубической упаковки
3.2.3. Модель объемноцентрированной упаковки.
3.2.4. Кинетические уравнения спекания
3.2.5. Рекристаллизация и кристаллизация расплавов при спекании.
3.3. Расчет распределения температур в объеме тела при обжиге.
3.3.1. Основные допущения теплотехнического расчета.
3.3.2. Теплотехнический расчет скорости нагрева и продолжительности выдержки
3.3.3. Расчет разности температур в теле при обжиге.
3.4. Методика расчета режима обжига керамики
3.4.1. Предварительные процедуры
3.4.2. Основные процедуры.
4. Методическая часть
4.1. Использованные материалы и методы анализа.
4.2. Предварительные эксперименты по изучению спекания.
5. Экспериментальная проверка адекватности расчетной методики
5.1. Расчет продолжительности прогрева образцов
5.2. Спекание по механизму вязкого течения.
5.2.1. Расчет процесса спекания образцов из порошкообразного стекла
5.2.2. Подготовка порошка стекла и образцов из него
5.2.3. Экспериментальная проверка адекватности методики порошкообразное стекло
5.3. Спекание по механизму объемной диффузии.
5.3.1. Расчет процесса спекания корундовой керамики
5.3.2. Удаление внутри кристаллической пористости в корундовой керамике
5.3.3. Зольгель синтез порошка корунда
5.3.4. Синтез порошка корунда
5.3.5. Экспериментальная проверка адекватности методики корундовая керамика
5.3.6. Расчет процесса спекания периклазовой керамики.
5.3.7. Расчет процесса спекания керамики из диоксида циркония.
5.3.8. Расчет процесса спекания керамики на основе диоксида урана.
5.4. Спекание стеклокристаллической керамики
5.4.1. Модель спекания без кристаллизации.
5.4.2. Анализ диаграмм состояния натрийкалийборосиликатных систем.
5.4.3. Расчет процесса спекания с учетом кристаллизации аморфной фазы.
5.4.4. Методика изготовления изоляторов из керамики кварцаль
5.4.5. Экспериментальная проверка адекватности методики.
5.5. Режим обжига изоляторов в камерной электрической печи
5.5.1. Промышленный режим термообработки
5.5.2. Расчет рационального режима обжига.
5.5.3. Обжиг изоляторов в производственных условиях.
6. Общие выводы по работе.
Приложения.
Список литературы


Результат эксперимента весьма сложно предсказать из-за большого числа факторов, оказывающих влияние на формирование структуры материала и свойств изделия. Затруднительно оценить, на какой стадии заторможены высокотемпературные процессы в момент окончания обжига. Расчеты в рамках классической термодинамики не позволяют получить количественную оценку полноты уплотнения порошкового тела. Для теоретических исследований и математического описания спекания важным является выбор зависимой переменной, наиболее полно характеризующей процесс. Основные существующие подходы к описанию уплотнения используют разные показатели. Физические модели спекания Представление об эволюции межчастичного контакта использовано в рамках физической теории. Система контактирующих макроскопических частиц в форме сфер, цилиндров, игл, плоскостей и других объектов является основой развития этой теории. Количественный показатель спекания в указанной системе - полутолщина межчастичного перешейках, которая увеличивается по ходу процесса (рис. Геометрическая модель двух контактирующих сферических частиц позволила разработать физическую теорию спекания, основанную на представлении о механизме переноса вещества в область наибольшей кривизны его поверхности с учетом ее знака. В развитие физики спекания большой вклад внесли теоретические и экспериментальные исследования Я. И. Френкеля, Б. Я. Пинеса, Я. Е. Гегузина, И. М. Лифшица, Р. Л. Кобла, У. Д. Кингери, Дж. Е. Бурке, Дж. С. Кучински, Ф. Р.Н. Набарро, С. Херринга, Дж. К. МакКензи, Р. Шаттлворса, С. Каттлера, Ф. Дж. Нортона, Дж. С. Кеннона, М. Хармера и др. Развитые представления о роли массопереноса позволили распространить количественное описание спекания на заключительные стадии процесса. Описание спекания в рамках физического подхода обобщено в монографии [1]. Основным объектом физики спекания традиционно являются порошкообразные металлы, теоретические выводы только но аналогии могут быть распространены на керамические материалы. Однако имеют место различия в деформационных свойствах порошков металлов и оксидных соединений, связанные с природой и энергией химической связи, а также кристатлохимической структурой вещества. Рис. Первые связаны с пластической деформацией кристаллов и реализуются при напряжениях, превосходящих предельное значение при данной температуре. Непороговые механизмы реализуются при сколь угодно малых напряжениях. Основные механизмы спекания, описанные в рамках физического подхода с помощью единообразных уравнений, приведены в схеме на рис. Не все механизмы переноса приводят к сближению центров частиц, т. Соответствующие кинетические уравнения позволяют определить факторы интенсификации спекания. Во всех случаях важен размерный фактор, определяющий кривизну поверхности и движущую силу процесса. Кинетический параметр (коэффициент диффузии, вязкость, модули упругости, упругость паров и т. Внешние факторы - температура, механические напряжения, давление и состав газа являются параметрами уравнений. Температура может входить в уравнения явно и в виде температурной зависимости кинетического параметра. Влияние размерного фактора в виде х/Я, т. Я, и безразмерной (гомологической) температуры Т/Т/ (Т/-температура плавления) на преобладающую роль отдельных механизмов спекания представлено в виде диаграмм Эшби [8]. В случае основных непороговых механизмов эти факторы являются одними из важнейших. Стадия припекания частиц, когда площадь межчастичных контактов невелика и преобладающая доля пористости представлена открытыми порами. Промежуточная стадия, когда фаза вещества и фаза пор сложным образом перемешаны в пространстве. Заключительная стадия, когда пористость преимущественно закрытая, а площадь межчастичных контактов близка к площади частиц. Практически для всех механизмов спекания уменьшение размера частиц, т. Рост кристаллов при высоких температурах приводит к удлинению пути массопереноса и замедляет уплотнение материала. С технологической точки зрения желательно замедлить рост кристаллов на всех стадиях процесса до момента достижения требуемой степени уплотнения.