книги / Оксидные композиционные материалы

3.Какая характеристика используется в качестве меры агрегатирования порошковых частиц?

4.Каким образом закон распределения частиц по размерам при дроблении зависит от размеров частиц?

5.Какие эмпирические законы используют для описания закономерности дробления грубодисперсных порошков?

6.В каких дисперсных системах существенное влияние при дроблении оказывает агрегатирование частиц порошка?

7.Какие изменения кристаллической структуры порошковых частиц происходят при механическом активировании?

8.Какое оборудование может быть использовано для измельчения порошка оксида алюминия?

9.Какие методы экспериментальных исследований могут быть использованы для изучения особенностей тонкой кристаллической структуры измельченного порошка Al2О3?

10.Каким образом влияет скорость измельчения порошка

Al2О3 на параметры ОКР и ∆a/a кристаллической решетки?

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЕССОВАНИЯ КОМПОЗИЦИЙ НА ОСНОВЕ ОКСИДА АЛЮМИНИЯ*

3.1. Выбор оптимального давления прессования

При выборе оптимальных режимов прессования были учтены условия получения материала на основе А12О3 с добавками (МКС) А12О3 и Nb2O5 с максимально возможной плотностью матричной структуры при сохранении целостности микросфер.

Композиции прессовали на установке «Instron-1195» с записью диаграммы «усилие прессования – перемещение пуансона». Наибольшее увеличение плотности происходит в начальный период, затем плотность достигает некоторого, не зависящего от давления, постоянного значения.

Увеличение плотности композиций на основе А12О3 происходит в интервале давлений 10–90 МПа. Кривые θ = f(Р), характеризующие уплотнение порошка А12О3, лежат выше кривых

* Исследования выполнены при поддержке гранта РФФИ 06-08-00879а.

21

уплотнения композиций, содержащих недеформируемые МКС и дисперсные включения Nb2O5. С увеличением усилий прессования выше 80–90 МПа относительная плотность композиций практически не увеличивается и достигает максимального зна-

чения: 0,45 для А12О3 и 0,4 для А12О3-Nb2O5-А12О3 (МКС).

Из опыта керамической технологии известно, что с увеличением времени повышения давления и выдержки возможны увеличение деформации структурных элементов порошковой системы, релаксация напряжений и облегчение удаления воздуха. Это оказывает положительное влияние на плотность прессовок и приводит к снижению упругого расширения и связанных с ним дефектов. Влияние продолжительности выдержки при конечном давлении и скорости нагружения при холодном одноосном прессовании в матрице изучали на системах А12О3

и А12О3-Nb2O5-А12О3 (МКС).

Уплотнение прессовок определяли по величине относительной плотности при предварительно выбранном давлении 80 МПа, которое позволило получить бездефектные прессовки с достаточно высокой плотностью 0,42–0,45. Продолжительность выдержки прессовок (τ) варьировали от 20 до 600 с, при этом до 120 с происходило повышение плотности прессовок (θ) на 1,8–2,2 % (рис. 2, а). Дальнейшее увеличение времени выдержки не приводило к дополнительному уплотнению прессовок. Характер зависимости относительной плотности порошков от скорости нагружения (v) представлен на рис. 2, б. Показано, что с увеличением скорости нагружения до 700 МПа/мин наблюдалось незначительное уменьшение плотности, порядка 1–1,5 % для систем, содержащих МКС. Дальнейшее увеличение скорости прессования приводит к раскалыванию МКС и образованию трещин прессовок.

На рис. 3 представлена зависимость теоретической плотности матрицы в образцах от содержания замкнутой сферической пористости, формируемой порообразователем (МКС). Видно, что при определенных соотношениях варьируемых параметров (сферической пористости и давления прессования (Р)) значение плотности прессовки с МКС превышает теоретическое, что возможно только при разрушении МКС в процессе прессования.

22

Рис. 2. Влияние продолжительности выдержки прессовок (а) и скорости нагружения (б) на плотность прессовок после прессования.

1 – А12О3; 2 – А12О3-Nb2O5-А12О3 (МКС)

23

3.2. Исследование процессов пластического деформирования

Отметим, что главной целью процесса прессования является получение максимальной плотности и прочности прессовок. Недостаточное уплотнение на стадии прессования не всегда может компенсироваться на стадии спекания, поэтому получение максимальной плотности керамического материала в процессе прессования является важной задачей для керамической технологии.

Для изучения закономерностей прессования и формирования структуры ультрадисперсных керамических порошков процесс прессования будем рассматривать как один из элементов пластического формоизменения прессовок – модель пластичности, в рамках которой изменение объема тела является следствием относительных сдвигов материала на поверхностях скольжения.

Для металлических порошков функция пластичности, описывающая предельное напряженное состояние материала, имеет вид

где τn – касательное напряжение на площадке сдвига; σn – нормальное напряжение на площадке сдвига; ρ и K – угол внутреннего трения и коэффициент сцепления материала соответственно.

Зависимость (6) совпадает по форме с законом трения Амонтона–Кулона [27] и, как известно, хорошо описывает предельное состояние сыпучих сред различной степени связности.

в средах, имеющих функцию пластичности этого вида, ассоциированный закон течения описывает только увеличение объема

24

пластически деформируемого тела. При сжатии таких тел, а в этом деформируемом состоянии находятся прессуемые материалы, законы развития пластических деформаций отражают ребро пересечения поверхности пластичности, задаваемой условием (7), и поверхности пластического потенциала ф(σiσj) = 0, нормаль к которой (вектор εij) описывает действительное направление пластического течения в материале. Поэтому для построения полной модели процесса прессования необходимо определить не только функцию пластичности материала, но и найти функцию пластического потенциала, по которой из выражения

(где λ – постоянный малый множитель) могут быть рассчитаны компоненты тензора скорости деформации во всех точках прессовки, в том числе может быть определена объемная компонента (уплотнение материала) деформации:

где θ – уплотнение материала.

Таким образом, снятие указанных характеристик позволяет перейти от однозначной связи плотность–давление к качественно новой системе зависимостей, определяющих условия перехода хрупкого разрушения порошкового керамического тела в развитое пластическое течение.

Поэтому наряду с традиционными схемами прессования порошков в матрицах исследовали закономерности приращения плотности пористых керамических тел, подвергаемых большим остаточным деформациям. Испытания проводили в установке трехосного нагружения (рис. 4) на предварительно спрессованных образцах кубической формы при оптимальном давлении 80 МПа. Эксперимент включал в себя циклические подъемы и сбросы гидростатического давления, способного вызывать остаточную деформацию образца, с шагом 5–10 МПа

25

свойствам, поэтому изменение плотности образцов изучали при наложении поля гидростатического сжатия, при разных боковых давлениях и направлениях. Установлено, что образцы, деформированные ортогонально оси прессования, имели большее увеличение плотности. Также на увеличение плотности влияет повышение давления гидростатического сжатия. Исследования показали, что осадка образцов при повторном наложении поля гидростатического сжатия приводила к преимущественной деформации не вдоль направления прессования, а в ортогональной к нему плоскости, вдоль которой прочность брикета в 2–3 раза меньше.

26

Рис. 5. Изменение осевого размера и боковой грани прессовки в гидростате при допрессовке: 1 – Al2O3 (Н), || оси прессования; 1′ – Al2O3-Al2O3 (МКС) (М), оси прессования; 2 –

Al2O3-Al2O3(МКС) (Н), || оси прессования; 2′ – Al2O3-Al2O3(МКС) (М),

оси прессования; 3 – Al2O3-Nb2O5- Al2O3 (МКС) (Н), || оси прессования;

3′ – Al2O3-Nb2O5-Al2O3 (МКС) (М),

оси прессования

Для оценки влияния состава прессуемой шихты и особенностей процессов пластического деформирования на параметры, характеризующие прочностные и деформационные свойства прессовок, а также для анализа процессов уплотнения проводили серию экспериментов, включающих в себя, кроме построения компрессионных кривых, полученных при прессовании порошков в матрице:

1) исследование характера уплотнения отформованных в матрице образцов кубической формы при допрессовке их

вгидростате;

2)снятие в установке трехосного нагружения функций σ1 – σ3 = f(ε1) и ε3 = f(ε1) для образцов, отформованных в матрице при давлении 80 МПа;

3)построение огибающей к кругам Мора, т.е. функции пластичности, которая позволяет оценить приращение плотности в деформируемом образце в зависимости от величины гидростатического давления, наложенного на образец.

Такая информация о прочностных и деформационных характеристиках образца позволила судить о том, как меняются свойства материала в процессе дополнительной обработки.

27

Совместные графики изменения осевых усилий и радиальных деформаций σ1 – σ3 = f(ε1) и ε3 = f(ε1), как функций осевой деформации образца, показаны на рис. 6. Из приведенных зависимостей можно определить радиальную деформацию и интенсивность приращения плотности образца при осадке. Чем меньше отклонение от оси (σ1 – σ3) линий в левой половине графиков, тем меньше радиальная деформация и выше приращение плотности с ростом осадки. Каждая вертикальная линия, пересекающая семейство функций σ1 – σ3 = f(ε1), полученных при разных боковых давлениях (Рбок), дает информацию о прочностных свойствах образцов при одной и той же осадке. С ростом давления в камере установки, т.е. от опыта к опыту, одна и та же осадка образца может быть получена при различных значениях

σ1 – σ3. При больших σ3 = Рбок одна и та же осадка дает и большую величину приращения плотности (прочности), что может

быть проанализировано по графикам θ = f(ε1), которые были построены по данным измерений осевой и радиальной деформаций образца (рис. 7, а). На рис. 7, б представлена зависимость θ = f(Р), полученная при прессовании образцов в матрице, и кривые измерения плотности в процессе деформирования. На рисунке видно, что уплотнение брикета идет уже на стадии подъема давления в камере установки. При давлении в камере 50–60 МПа до начала осадки образцов изменение плотности может достигать 1–1,5 %.

Большую величину приращения плотности имели образцы, спрессованные из материала, не содержащего МКС, осадка которых велась в направлении, ортогональном оси прессования.

У составов, содержащих МКС, при малых боковых давлениях плотность более активно увеличивалась при осадке образцов в направлении вдоль оси прессования. Однако с увеличением давления до 50 МПа плотность росла быстрее при осадке в направлении, ортогональном оси прессования. У составов, содержащих Nb2O5, рост сдвиговой прочности наступает уже при Р = 10 МПа и увеличивается по мере повышения давления.

Таким образом, с увеличением давления в камере установки сдвиговая прочность материала, которая может быть оценена величиной (σ1 – σ3), растет практически во всех случаях и при любых режимах деформации.

28

29

Рис. 6. Компрессионные кривые, полученные в установке трехосного нагружения при раз-

личных Рбок: а – Al2O3 (θнач = 39 %), осадка вдоль направления предварительного прес-

сования образца; б – Al2O3 (θнач = 38,5 %), осадка ортогонально оси предварительного

прессования образца; в – Al2O3-Al2O3(МКС)- 2%Nb2O5 (θнач = 36,7 %), осадка вдоль на-

правления предварительного прессования об-

разца; цифры на кривых – значения Рбок, МПа

в

29