Лабораторная работа № 7 Кинетика спекания смесей на основе стекла

Цель работы: исследование процесса спекания стекольно-песчаных смесей и влияние различных факторов на его скорость.

Оборудование: технические и аналитические весы, фарфоровая ступка (или мельница), сито № 008 мм, стеклянная колба с резиновыми наполнителями, фарфоровая чашка, мерный цилиндр, эксикатор, гидравлический пресс, сушильный шкаф, муфельная печь, штангенциркуль, бой стекла, кварце­вый песок, раствор декстрина.

Основные понятия

В общем случае под спеканием понимают происходящий при высо­ких температурах процесс получения из слабосвязанного пористого зер­нистого материала плотного и прочного камневидного тела. Другими сло­вами, спекание является процессом уплотнения (уменьшения пористости) и упрочнения зернистого материала. Как правило, этот процесс сопро­вождается уменьшением внешних размеров спекавшегося тела (усадкой). В реальных условиях в технологии силикатных и других тугоплавких ма­териалов спеканию подвергают заготовки (сырец), сформованные различ­ными методами из тонкозернистых масс. В зависимости от способа фор­мования и гранулометрического состава исходного порошка такие заго­товки имеют общую пористость порядка 25 - 60 об. % (под порами пони­мают свободное пространство между отдельными зернами, слагающими заготовку, а также поры внутри зерен и кристаллов). Конечным резуль­татом спекания является получение из конгломерата слабосвязанных си­лами адгезии и трения зерен плотного и прочного камневидного тела, свойства которого обусловлены силами химической связи.

Таким образом, спекание в сущности сводится к "удалению" пор из пористого тела за счет их зарастания (заполнения веществом). Под абсо­лютным спеканием понимают полное исчезновение пор, когда величина кажущейся плотности (отношение массы тела к его объему, включая объем пор) достигает значения истинной плотности (отношение мас­сы тела к его объему, исключая объем пор). Предложены различные спо­собы оценки степени спекания, но все они сводятся к определению изме­нения пористости и плотности вещества при спекании. Степень спекания можно, например, охарактеризовать величиной относительной плотности или относительной пористости , где П₁ и П₂ - общая пористость до и после спекания соответственно. Материал дости­гает абсолютного спекания при и , т.е. тогда, когда общая пористость становится равной нулю.

Процесс спекания относится к одному из важнейших процессов, протекающих при синтезе различных силикатных и других тугоплавких материалов (в частности, при производстве керамики и огнеупоров, полу­чении портландцементного клинкера и т.д.) и определяющих в значитель­ной степени свойства получаемых изделий. С увеличением степени спе­кания изделий растет их плотность, прочность, твердость, постоянство объема при высоких температурах, химическая стойкость и тепло­проводность', уменьшается газо- и водопроницаемость и т.д. Во многих случаях процесс спекания сопровождает при обжиге синтез различных минералов в изделиях на основе силикатных и других тугоплавких мате­риалов.

Сущность процесса спекания заключается в самопроизвольном за­полнении при достаточно высокой температуре пор в зернистом спекаю­щемся теле, следствием чего является увеличение его плотности. С тер­модинамической точки зрения спекание представляет собой нестационар­ный необратимый процесс перехода системы в более стабильное, устой­чивое состояние за счет самопроизвольного уплотнения дисперсного по­ристого тела.

Движущей силой процесса спекания является поверхностная энер­гия. В исходном состоянии пористое тело, подвергаемое спеканию, имеет развитую внутреннюю межфазовую поверхность и представляет собой систему, далекую от термодинамического равновесия. Это обусловлено повышенным запасом свободной поверхностной энергии, т.е. энергии некомпенсированных атомных связей на поверхности дисперсных час­тиц и пор (неравновесность реальных дисперсных тел обусловлена также и тем, что реальные порошки имеют искаженную кристаллическую струк­туру с различными неравновесными дефектами). Как известно, любая система обладает тенденцией к сокращению межфазовой поверхности, что равносильно уменьшению поверхностной и, следовательно, общей энергии системы. При спекании эта тенденция реализуется за счет запол­нения веществом пор между зернами и внутри зерен, что приводит к со­кращению внутренней поверхности тела.

Основным физическим процессом при спекании является процесс массопереноса (диффузии вещества), обеспечивающий заполнение пор веществом. В зависимости от механизма массопереноса различают не­сколько видов спекания:

1) твердофазовое (диффузионное) спекание;

2) жидкостное спекание;

3) спекание за счет процесса испарение – конденсация;

4) спекание за счет пластической деформации под давлением;

5) «реакционное» спекание (за счет протекания химической реакции).

Наиболее часто встречающимися в технологии силикатных и дру­гих тугоплавких материалов являются твердофазовое и жидкостное спе­кание. Например, при спекании тугоплавких оксидных материалов ре­шающая роль обычно принадлежит твердофазовому спеканию, для глиносодержащей керамики характерно жидкостное спекание и т.д.