Контрольная работа: Технологические особенности производства волокнистых материалов на основе оксида алюминия

Рис. 14. Объемно-сетчатая модель строения волокнистого материала

Различный шаг ti расположения волокон по осям координат характеризуется в ней коэффициентами анизотропии: Kv =tx/ty и Кz = tx/tz, а доля волокон в направлении каждой из координат ? коэффициентами заполнения Zx, Zy и Zz, которые могут изменяться от 0 до 1.

При данных значениях коэффициентов Ki и Zi

tx = рdW /2n (1)

где функция параметров макроструктуры

Wn=(ZxKyKz+ZyKz+ZzKy)/(1-P) (2)

Область существования модели с данными Ki и Kz ограничена некоторой минимальной пористостью Pk, при которой волокна полностью сближены. Например, для изотропной равновесной модели (Ki=Zi=1) легко найти, что Pk=0,41, подставив в выражение (3) равенство tx =2d. При меньшей пористости, когда волокна как бы проникают друг в друга, тело перестает быть чисто волокнистым, характер связей в нем усложняется.

При расчете лучистой составляющей теплопроводности л2л, доминирующей в высокотемпературных изоляциях, волокнистый материал принято считать сплошной однородной средой, ослабляющей лучистый поток вследствие поглощения и рассеяния излучения. Коэффициент ослабления излучения равен

б=Sосл/Sэя (3)

где Sосл ? площадь поверхности той части элементарной ячейки, которая не пропускает лучистый поток; Sэя ? общая площадь элементарной ячейки.

В объемно-сетчатой модели, характеризующейся коэффициентом анизотропии К=1, имеют место приближенные значения Sэя ~ t2x, Soсл = txd, поэтому б = 4/ Wnd.

В случае изотропного материала с равномерным заполнением волокон по осям координат (Ki =Zi=1) функция макроструктуры равна Wn=3/(1-P) и, следовательно, б=4(1P)/3d. При P > 1 коэффициент ослабления стремится к нулю.

Увеличение диаметра волокон d приводит к росту лэф вследствие возрастания лучистой составляющей.

Прочность

Принятая при анализе теплопроводности объемно-сетчатая модель может быть использована и для исследования прочности волокнистых тел.

При нагружении ячейки силой F волокна X и Z в ней работают на изгиб и поперечное сжатие, а волокна Y ? на продольное растяжение (сжатие). Оценки показывают, что во всей области существования моделей при Z х и Zz, существенно отличных от нуля, несущая способность определяется изгибными волокнами. База изгиба L волокон X и Z может быть больше или меньше размера ячейки t; L зависит от степени извилистости волокон, характеризуемой коэффициентом N, т.е. L =Nt. В данном случае извилистость включает любые отклонения от прямолинейности, способствующие увеличению координационного числа контактирующих волокон на единицу объема. Для особенно извилистых волокон (N < 1) L меньше, чем у войлока из выпрямленных волокон (N > 1) равной пористости. На механические свойства влияет также состояние контактов: до спекания они работают как свободные шарниры, при спекании ? как жесткие защемления.

Механические свойства волокнистых материалов изменяются при спекании волокон. При малых значениях пористости структура волокнистых тел приближается к структуре порошковых, у которых влияние спекания проявляется в большой степени, так как их прочность непосредственно зависит от величины и состояния межчастичных контактов. При Р<0,25-0,35 отношение прочности спеченных и неспеченных тел достигает 3-4. В области высокой пористости межволоконные контакты влияют на механические свойства иным образом. При очень малом, точечном контакте связь двух волокон приближается к шарнирной. При дальнейшем спекании поверхность контакта возрастает и при некотором ее значении жесткость узла становится равной жесткости заделки; наибольший изгибающий момент волокна уменьшается вдвое по сравнению с шарнирным узлом. Дальнейшее увеличение контакта не влияет на величину этого момента.

Высокотемпературная теплоизоляция.

Основными характеристиками теплоизоляционных материалов являются их предельная рабочая температура и коэффициент теплопроводности.

По уровню температур высокотемпературные изоляционные материалы можно разделить на четыре группы:

1. С предельной рабочей температурой до 700 °С. К ним относятся многие строительные и теплотехнические изоляции общего назначения, органические и неорганические: минеральная вата, стекловата, ячеистые бетоны, пеностекло, асбестовые, совелитовые, каолиновые и другие теплоизоляционные изделия.

2. Огнеупорные, волокнистые и засыпные изоляции с предельной рабочей температурой до 1750 °С, главным образом на основе оксидной керамики из SiO2, Al2О3, MgO, ZrO2, ZrSiО4, шамотные и динасовые легковесные изделия.

3. Высокоогнеупорные пористые изоляции с предельной рабочей температурой до 2300-2500°С ? из магнезита, хромомагнезита, оксида циркония, оксидов бериллия, тория, гафния и др.

4. Особо высокотемпературные изоляции с предельной рабочей температурой > 2600°С. Изоляции этой группы изготавливают из углеграфитовых материалов, на основе тугоплавких металлов, их соединений и сплавов, а также из некоторых оксидов: ТhО2, HfO2.

Волокна на основе оксида алюминия, таким образом, относятся ко второй группе.

В эту группу также попадают широко распространенные и доступные кремнеземистые волокна и волокна каолинового состава, однако температурный предел эксплуатации изделий на их основе - 1150-1300 °С. В последние же годы все большее значение приобретают высокотемпературные материалы с рабочей температурой от 1600-2000 °С. Такие теплоизоляционные и теплозащитные материалы применяются в самых различных областях металлургии, энергетики, машиностроения, строительства (рис. 15). В металлургии увеличение потребности в таких материалах вызвано повышением температуры в нагревательных, обжиговых и плавильных печах. Они требуются в литейном производстве, например, при литье под давлением, в прессовом (для изоляции индукционных нагревателей - контейнеров), в авиации и космонавтике (для изоляции газовых турбин, камер сгорания), в термоэлектрических преобразователях. Необходимо также повышение эффективности и экономичности оборудования и производственных процессов, например, работы газовых турбин, теплообменников.

Рис. 15. Области промышленности, где применяются высокотемпературные керамические теплоизоляционные материалы

Различают несколько типов теплоизоляционных материалов на основе керамического волокна (рис. 16). Все они в основе содержат штапельное волокно (кроме тканей), однако отличаются методами последующей обработки.

Рис. 16. Виды теплоизоляционных изделий из штапельного волокна

Наиболее популярным и легко производимым изделием является войлок. Его получают, как правило, непосредственно в процессе формования штапельного волокна. Волокно попадает на ленту движущегося конвейера, образующийся слой волокна уплотняется валиком, после чего проходит необходимую термообработку, а впоследствии наматывается на бобину для хранения и транспортировки. Объемная плотность керамических войлоков варьируется в пределах 0,08-0,16 г/см3, теплопроводность при 1500 °С - 0,5-0,7 Вт/м К, усадка при 1500 ° С составляет 3-5%. В качестве примера в табл. 2 приведены эксплуатационные характеристики войлоков производства компании «Zircar Ceramics», а на рис. 17 - температурная зависимость коэффициента теплопроводности этого материала.

Таблица 2. Эксплуатационные характеристики войлоков «Zircar Ceramics»

Рис. 17. Зависимость теплопроводности войлоков ALBF и ALBF-1 (плотность образца 0,1 г/см3) от температуры

Войлоки не только используются как теплоизоляционный материал, но и как полупродукт производства модулей (рис. 16) и полужестких матов: прошивных, либо иглопробивных.

В другую группу материалов можно объединить плиты, цилиндры/полуцилиндры и изделия сложной формы. Все они являются жесткими, прочными и более плотными, чем войлоки, поэтому часто выполняют роль первичной (основной) изоляции, в то время как мягкие материалы являются вторичной изоляцией. Кроме того, эти изделия объединены единой технологией производства, включающей следующие стадии:

1. приготовление заготовки нужного размера и диаметра;

2. пропитка вакуумированной заготовки связующим;

3. термообработка изделия.

Пропитку связующим и термообработку могут проводят до достижения требуемой пористости материала. При многогратном повторении этого цикла возможно получение малопористого материала для использования в качестве барьерной теплозащиты или эффективной теплоизоляции;

В качестве связующего обычно используются золи (часто - на основе оксида кремния) и суспензии. Их же используют в качестве высокотемпературных клеев для ремонта подобных материалов.

Альтернативным методом изготовления таких материалов является литье водного шликера, содержащего дискретные оксидные волокна и связку.

Для примера в табл. 4 приведены эксплуатационные характеристики плит производства «Mitsubishi Plastics».

Еще одним продуктом переработки штапельного волокна являются керамические бумаги ? тонкие плотные изделия толщиной 0,5-3 мм, которые используют для специального применения. Эти изделия могут быть гибкими или жесткими в зависимости от технологии изготовления и содержания связующего (как органического, так и неорганического. Некоторые типы бумаг и вовсе не содержат связующее.