CC BY
57
УДК 624.012.82; 539.42
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1308-1310
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И РАЗРУШЕНИЯ КЕРАМИКИ НА ОСНОВЕ ДИАТОМИТА
© А.А. Скворцов1*, С.С. Гаврюшин2), В.С. Надеждин1*, А.С. Груздев2*, П.А. Скворцов1*
1) Московский государственный машиностроительный университет, г. Москва, Российская Федерация,
e-mail: [email protected] 2) МГТУ им. Н.Э. Баумана, г. Москва, Российская Федерация, e-mail: [email protected]
В работе исследованы механические свойства пенодиатомитовой керамики. Экспериментально определен динамический модуль упругости, предел прочности, построена диаграмма растяжения. Также в работе изучено влияние различных режимов отжига на изменение физических свойств пенодиатомитовой керамики на основе диатомита.
Ключевые слова: диатомит; механические свойства; отжиг; динамический модуль упругости; механика разрушений.
На сегодняшний день пенодиатомитовая керамика на основе диатомита является весьма перспективным материалом [1-2]. В ее основу входит диатомит - осадочная горная порода, состоящая преимущественно из раковинок диатомовых водорослей [3-4]. К преимуществам пенодиатомитовой керамики следует отнести невысокую стоимость многофункциональность (высокопористая теплоизоляция, фильтрующий материал), экологичность, высокую температуру применения (до 1100 °С).
Следует подчеркнуть, что в России имеется крупная сырьевая база диатомита (примерно 20 % мировых запасов), однако его добыча и применение развиты пока недостаточно.
Поэтому основной задачей работы является исследование пористости, динамических модулей упругости диатомитовой керамики, а также влияние термообработки на физико-механические свойства рассматриваемого объекта.
В качестве объектов исследования использовались образцы пенодиатомитовой керамики в виде параллелепипедов размером 15x15x100 мм. Первоначально измерялись их масса, и вычислялась плотность. Далее на образцах проводилось измерение динамических модулей упругости резонансным методом [5-6]. Для отжига использовалась стандартная резистивная печь (СНОЛ 1,6) с вертикальной загрузкой и максимальной температурой отжига до 1250 °С. После установления рабочей температуры образец в специальном контейнере помещался в изотермическую область разогретой печи. Время нагрева-охлаждения образцов составляло 5-7 мин. Отжиг производился при температурах 800, 900, 950 и 1000 °С в течение 1, 2 и 3 ч. После отжига также проводилось измерение динамического модуля упругости, массы и геометрических характеристик образцов.
Таблица 1
Влияние отжига на свойства пенодиатомитовой керамики
Отжиг t, °С Е, ГПа Ж, % Am/m, % р, кг/м3
- 0,32 0 0 447
800 0,33 1 2 456
900 0,41 2 3 477
950 0,53 6 3 535
1000 0,61 10 3 577
Диатомитовая керамика, как и большинство других, является при комнатной температуре хрупким материалом, для которого полностью выполняется закон Гука. При нулевой пористости динамический модуль упругости керамики имеет значение Е0 = = 71 ГПа [7]. При увеличении пористости модуль упругости может существенно уменьшатся. Зависимость модуля упругости от пористости (0-20 %) известна [7].
Нами проведены исследования зависимости динамического модуля высокопористой диатомитовой керамики от пористости (70-88 %).
Результаты приведены в табл. 1 и на рис. 1. Нетрудно видеть, что модуль упругости рассматриваемого материала с высокой пористостью меньше кристаллического на два порядка.
В данной работе исследовано поведение высокопористой (до 70 %) диатомитовой керамики в условиях сжатия. Основу этого материала составляет диатомит -осадочная горная порода, состоящая преимущественно из раковинок диатомовых водорослей. Химически диатомит на 96 % состоит из водного кремнезема (опала). Известно, что пористая структура диатомитовой керамики (при пористости более 65 %) представлена как закрытыми, так и сообщающимися порами [7].
2016. Т. 21, вып. 3. Физика
Е. G Ра
LalE'E.1 •
• /
\ '•* • / m /
Ч ч /t / •
/
•2 I.H .t.l, LiKI-Pl
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
Рис. 1. Зависимость динамического модуля упругости пористой пенодиатомитовой керими от пористости: • - наши дан-▲ - данные работы [7]
ные;
Рис. 2. Диаграмма сжатия образца диатомовой керамики при комнатной температуре
Деформационное поведение керамических материалов, под действием внешней нагрузки вплоть до разрушения можно охарактеризовать как линейно-упругое. Однако наличие пористой структуры приводит к изменению характера деформационного поведения. Для таких материалов свойственны нелинейные законы связи между напряжением и деформацией.
В качестве объектов исследования нами использовались образцы 19x19x19 мм. Эксперимент осуществлялся на испытательной машине МИ-40-КУ. Диаграмма сжатия исследуемых образцов приведена на рис. 2. Результаты исследований показали, что наряду с упругой деформацией происходит накопление микроповреждений в виде локальных напряжений керамического каркаса (рис. 3).
Выявлено, что на характер деформационного поведения керамики оказывает влияние морфология пористой структуры.
а)
б)
Рис. 3. Фотографии зарождения (а) и развития трещин (б) в образце в процессе деформирования
Таким образом, в работе экспериментально определен динамический модуль упругости материала и его изменение в процессе отжига. Построена диаграмма сжатия диатомитовой керамики и изучено разрушение образцов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Hossam Elden Galal Mors. Diatomite: Its Characterization, Modifications and Applications // Asian Journal of Materials Science. 2010. V. 2 (3). P. 121-136.
2. Vassileva P.S., Apostolova M.S., Detcheva A.K., Ivanova E.H. Bulgarian natural diatomites: Modification and characterization // Chemical Papers. 2013. V. 67 (3). P. 342-349.
3. Il'ina V.P., Shelekhova T.S. Diatomites of Karelia for glass production // Class and ceramics. 2014. V. 66. Issue 3-4. P. 109-112.
4. Jang Dongchan, Meza Lucas R., Greer Frank, Greer Julia R. Fabrication and deformation of three-dimensional hollow ceramic nanostruc-tures // Nature materials. 2013. V. 12. Issue 10. P. 893-898.
5. Dong Guori, Su Zhigiu, Wang Jibin. Diatomite modification and its application westewather treatment // Advanced Materials Research. 2014. V. 850-851. P. 1355-1359.
6. Van Garderen N., Clemens F.J., Mezzomo M., Bergmann C.P., Graule T. Investigation of clay content and sintering temperature on attrition resistance of highly porous diatomite based material // Applied clay science. 2011. V. 52. Issue 1-2. P. 115-121.
7. Пивинский Ю.Е., Ромашин А.Г. Кварцевая керамика. М.: Металлургия, 1974. 264 с.
БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена в при поддержке проекта Минобрнауки РФ, проект № 2290.
Поступила в редакцию 10 апреля 2016 г.
UDC 624.012.82; 539.42
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1308-1310
THE STUDY OF THE MECHANICAL PROPERTIES AND FRACTURE OF CERAMICS ON THE BASIS OF DIATOMITE
© A.A. Skvortsov1*, S.S. Gavryushin2), V.S. Nadezhdin1*, A.S. Gruzdev2*, P.A. Skvortsov1*
^ Moscow State University of Mechanical Engineering, Moscow, Russian Federation, e-mail: [email protected] 2) Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russian Federation, e-mail: [email protected]
In this paper, we investigated the mechanical properties of foam diatomite ceramics. Experimentally determined dynamic modulus of elasticity, tensile strength, the diagrams of stretching. The work also studied the effect of different annealing conditions on the physical properties of foam diatomite ceramics on the basis of diatomite.
Key words: diatomite; mechanical properties; annealing; dynamic modulus of elasticity; fracture mechanics.
REFERENCES
1. Hossam Elden Galal Mors. Diatomite: Its Characterization, Modifications and Applications. Asian Journal of Materials Science, 2010, vol. 2 (3), pp. 121-136.
2. Vassileva P.S., Apostolova M.S., Detcheva A.K., Ivanova E.H. Bulgarian natural diatomites: Modification and characterization. Chemical Papers, 2013, vol. 67 (3), pp. 342-349.
3. Il'ina V.P., Shelekhova T.S. Diatomites of Karelia for glass production. Class and ceramics, 2014, vol. 66, issue 3-4, pp. 109-112.
4. Jang Dongchan, Meza Lucas R., Greer Frank, Greer Julia R. Fabrication and deformation of three-dimensional hollow ceramic nanostructures. Nature materials, 2013, vol. 12, no. 10, pp. 893-898.
5. Dong Guori, Su Zhigiu, Wang Jibin. Diatomite modification and its application westewather treatment. Advanced Materials Research, 2014, vol. 850-851, pp. 1355-1359.
6. Van Garderen N., Clemens F.J., Mezzomo M., Bergmann C.P., Graule T. Investigation of clay content and sintering temperature on attrition resistance of highly porous diatomite based material. Applied clay science, 2011, vol. 52, no. 1-2, pp. 115-121.
7. Pivinskiy Yu.E., Romashin A.G. Kvartsevaya keramika. Moscow, Metallurgiya Publ., 1974. 264 p.
GRATITUDE: The work is fulfilled under support of Ministry of Education and Science Project of Russia no. 2290. Received 10 April 2016
Скворцов Аркадий Алексеевич, Университет машиностроения, г. Москва, Российская Федерация, доктор физико-математических наук, профессор, зав. кафедрой сопротивления материалов, e-mail: [email protected]
Skvortsov Arkadiy Alekseevich, Moscow State University of Mechanical Engineering, Moscow, Russian Federation, Doctor of Physics and Mathematics, Professor, Head of Strength of Materials Department, e-mail: [email protected]
Гаврюшин Сергей Сергеевич, МГТУ им Н.Э. Баумана, г. Москва, Российская Федерация, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой «Компьютерные системы автоматизации производства», e-mail: [email protected]
Gavryushin Sergey Sergeevich, Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russian Federation, Doctor of Technics, Professor, Head of Strength of Computer Systems of Production Automation Department, e-mail: [email protected]
Надеждин Владимир Сергеевич, Университет машиностроения, г. Москва, Российская Федерация, доцент кафедры сопротивления материалов, e-mail: [email protected]
Nadezhdin Vladimir Sergeevich, Moscow State University of Mechanical Engineering, Moscow, Russian Federation, Associate Professor of Strength of Materials Department, e-mail: [email protected]
Груздев Александр Сергеевич, Университет машиностроения, г. Москва, Российская Федерация, доцент кафедры сопротивления материалов, e-mail: [email protected]
Gruzdev Aleksander Sergeevich, Moscow State University of Mechanical Engineering, Moscow, Russian Federation, Associate Professor of Strength of Materials Department, e-mail: [email protected]
Скворцов Павел Аркадьевич, Университет машиностроения, г. Москва, Российская Федерация, аспирант, кафедра сопротивления материалов, e-mail: [email protected]
Skvortsov Pavel Arkadevich, Moscow State University of Mechanical Engineering, Moscow, Russian Federation, Postgraduate Student, Strength of Materials Department, e-mail: [email protected]
