Preview

Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей»

Расширенный поиск

Получение керамических волокон на основе диоксида циркония с использованием вискозного материала

Полный текст:

Аннотация

Предcтавлена технология получения керамических волокон состава ZrO2-Y2O3 посредством пропитки скрученных вискозных нитей растворами нитрата цирконила с добавкой нитрата иттрия и последующей термообработкой. Определено влияние концентрации пропитывающего раствора на прочностные характеристики полученных керамических волокон. Предложен метод определения предела прочности дискретных керамических волокон на разрыв

Для цитирования:


Титова С.М., Обабков Н.В., Закирова А.Ф., Докучаев В.С., Закиров И.Ф. Получение керамических волокон на основе диоксида циркония с использованием вискозного материала. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2019;(1):85-90.

For citation:


Titova S.M., Obabkov N.V., Zakirova A.F., Dokuchaev V.S., Zakirov I.F. Production of zirconia-based ceramic fibers using viscose material. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2019;(1):85-90. (In Russ.)

Введение

Оксидные керамические материалы обладают высокой коррозионной, химической, радиаци­онной стойкостью и низкой теплопроводно­стью, что делает возможным длительную экс­плуатацию керамических изделий в условиях воздействия агрессивных сред и повышенных температур [1, 2]. В современной технике применяются оксидные керамические мате­риалы с повышенной пористостью, напри­мер, для обеспечения тепловой защиты узлов и деталей авиационной и ракетной техники, изготовления катализаторов, фильтров, мем­бран с частичной проницаемостью, электро­дов, топливных и электролитных элементов, а также для элементов костных протезов и имплантов [3-6]. К существенным недостат­кам пористой керамики относятся низкие зна­чения прочностных характеристик, которые могут быть улучшены путем армирования высокопрочными волокнами и нитевидными кристаллами [7-10]. Для керамических мате­риалов, работающих при высоких температу­рах в окислительных средах, наиболее эффек­тивно использование оксидных волокон [2]. Однако в настоящее время недостаточно раз­работаны технологии получения волокон за­данного состава и свойств, что делает про­блему создания новых керамических волокон актуальной.

Существуют несколько методов синтеза керамических оксидных волокон, например метод экстракции, экструзии, золь-гель метод [11-14]. Одним из наиболее технологичных и простых в реализации является метод адсорб­ции, или пропитки, основанный на способно­сти синтетических полимеров к поглощению неорганических соединений [15].

Представленная работа носит приклад­ной характер, ее целью является создание тех­нологии производства керамических волокон заданного химического и фазового составов для армирования композитов. Возможно по­лучение керамических волокон различного диаметра при использовании соответствующих вискозных нитей. При создании производства таких волокон можно организовать непрерыв­ный процесс, включающий пропитку жгутов непрерывных нитей с последующей сушкой и обжигом в аппаратах проходного типа. В рамках настоящей статьи разработана техно­логия получения оксидных волокон состава ZrO2-Y2O3 путем осаждения их из солевых рас­творов на органических волокнах, в качестве которых использовали скрученные вискозные нити, имеющие необходимое для арматуры пе­риодическое строение, что составляет новизну данной работы.

Экспериментальная часть и обсуждение результатов

Процесс образования керамических воло­кон основан на осаждении на поверхности вискозных волокон солевой смеси нитратов циркония и иттрия. Для этого вискозные волокна погружают в солевой раствор соот­ветствующего состава и выдерживают в нем определенное время. После извлечения из раствора пропитанные волокна подвергаются сушке и обжигу. При обжиге происходит про­цесс формирования структуры керамических волокон за счет термодеструкции вискозы и разложения солевой смеси с образованием керамики состава ZrO2-Y2O3 [15]. При этом в качестве волокна-носителя используют вис­козу, поскольку данный материал поглощает в несколько раз больше воды и растворов, чем другие волокна, например хлопковые. Это позволяет получать керамические волокна с меньшей пористостью и более высокой проч­ностью [16].

Рабочие растворы нитрата цирконила и нитрата иттрия для пропитки готовили путем растворения навесок основного карбоната цир­кония ZrO(CO3)2 и оксида иттрия Y2O3 в концентрированной азотной кислоте.

Раствор для пропитки вискозного мате­риала готовили путем смешения полученных нитратных растворов из расчета получения ок­сидной фазы состава ZrO2 - 7 масс. % и Y2O3 - 93 масс. %. Такой состав твердого раствора диоксида циркония частично стабилизирован в тетрагональной модификации с небольшой добавкой моноклинной фазы и обладает более высокой термостойкостью [1, 7, 17]. Допол­нительно в раствор для пропитки в качестве пластификатора и загустителя вводили поли­виниловый спирт в виде 10%-ного водного раствора, взятого в количестве 10 % от общей массы пропитывающего раствора [18].

В данной работе использованы вискоз­ные нити 1-го сорта, блестящие, диаметром 0,55 мм, что соответствует линейной плот­ности нити 200 текс. Нити для насыщения погружали в приготовленный раствор и ва- куумировали в течение 40 минут; суммарную концентрацию циркония и иттрия варьирова­ли в диапазоне от 200 до 500 кг/м3 (в пересче­те на оксиды). Значение рН приготовленного раствора составило 0,1-0,2. Общее время вы­держки вискозного волокна в растворе - 24 ч. После пропитки нити извлекали из раствора и сушили при температуре 80 °С в течение 2 ч, а затем температуру поднимали до 400 °С и выдерживали нити в этих условиях еще 2 ч. Образовавшиеся после сушки волок­на обладали повышенной сквозной пористо­стью, что позволяло для упрочнения волокон проводить их повторную пропитку, которую осуществляли раствором того же состава и при тех же условиях, что и при первой про­питке. Высушенные волокна в дальнейшем подвергали обжигу при температуре 1400 °С в течение 2 ч. При этом в процессе спека­ния керамического волокна происходила его значительная усадка, и диаметр оконча­тельно спеченного волокна состава ZrO2 - 7 масс. % и Y2O3 - 93 масс. % составил 0,3-0,4 мм. После обжига длинных волокон ввиду значи­тельной хрупкости происходила их фрагмента­ция на куски длиной 5-20 мм (рис. 1, а).

 

Рис. 1. Керамические волокна ZrO2-Y2O3, синтезиро­ванные методом двойной пропитки скрученной вискоз­ной нити раствором нитрата цирконила и нитрата ит­трия с суммарной концентрацией 500 кг/м3 (в пересчете на оксиды): а - внешний вид; б, в - микрофотографии

 

Анализ микроструктуры, проведенный с помощью оптического микроскопа Olympus (рис. 1, б, в) и сканирующего электронного микроскопа JSM-6390LA (рис. 2), показал, что в сечении волокна имеют достаточно крупные продольные поры.

 

Рис. 2. Керамическое волокно ZrO2-Y2O3, синтезиро­ванное методом двойной пропитки скрученной вискоз­ной нити раствором нитратов цирконила и иттрия: а - внешний вид; б - излом

 

Рентгенофазовый анализ образцов син­тезированных керамических волокон вели на приборе XPertPro MPD (Malvern Panalytical, Нидерланды) в CuA-излучении. Содержание фаз в образце волокон определяли методом Ритвельда. Обработка аналитических данных осуществлялась с помощью программного обе­спечения XPert High Score Plus. По данным рентгенофазового анализа, в образцах волокон идентифицировано три фазы: кубический и тет­рагональный (Zr-Y)O2 (содержание в образце 45,3 и 28,2 % соответственно), а также фаза бадделеита (26,5 %). Рентгенограмма образца керамического волокна приведена на рис. 3.

 

Рис. 3. Рентгенограмма образца керамического волокна ZrO2-Y2O3, синтезированного методом пропитки скру­ченной вискозной нити растворами нитратов цирконила и иттрия: O - фаза бадделеита; Δ - фаза кубического (Zr-Y)O2; I - фаза тетрагонального (Zr-Y)O2

 

Для проведения исследований прочност­ных свойств полученных керамических воло­кон авторы статьи разработали методику, осно­ванную на определении предела прочности при растяжении композита «керамическое волокно - эпоксидная смола». Образцы композиционного материала готовили путем заливки универсаль­ным эпоксидным клеем специальной формы (рис. 4). Исследуемые волокна вводили в ко­личестве до 35 штук в смолу в области шейки образца. После отверждения образцы подвер­гали термообработке при 50 °С для их упрочнения. В тех же условиях готовили образцы без волокон для испытания прочностных свойств смолы как матричного материала в композите.

 

Рис. 4. Образец для измерения прочности керамиче­ского волокна на растяжение: 1 - матрица композиционного материала - эпоксид­ная смола; 2 - керамическое волокно

 

Испытания на растяжение проводили на разрывной машине при скорости деформирова­ния 1,0 мм/мин. Процесс вели до полного разру­шения образца и определяли пределы прочности композита «смола - волокно» и отдельно смолы. На рис. 5 представлена фрактограмма излома шейки заготовки композита. Размытый излом во­локна указывает на неровность его поверхности. Излом матрицы представлен гладкими стеклопо­добными фасетками смолы. Предел прочности керамических волокон рассчитывали исходя из принципа аддитивности по формуле (1), опреде­лив предварительно площади поперечного сече­ния шейки образца и всех волокон [19]:

где σкм, σвол, σм - предел прочности при растя­жении композиционного материала, волокна, матрицы, соответственно (МПа);

Sвол - поперечное сечение волокон в отно­сительных единицах (поперечное сечение шей­ки образца).

 

Рис. 5. Фрактограмма излома шейки образца ком­позиционного материала «керамическое волокно - эпоксидная смола»

Было исследовано влияние концентрации пропитывающего раствора на прочностные свойства получаемых волокон в условиях од­нократной пропитки. Экспериментально установлено, что прочность получаемых волокон почти линейно зависит от концентрации про­питывающего раствора (рис. 6). Максималь­ная прочность волокон составляет 190 МПа при концентрации пропитывающего раствора 500 кг/м3 (по сумме оксидов). Повторная про­питка вискозной нити способствует увеличе­нию предела прочности волокон при растяже­нии до 213 МПа.

 

Рис. 6. Зависимость предела прочности керамических волокон ZrO2-Y2O3, синтезированных методом одно­кратной пропитки вискозной нити, от суммарной кон­центрации циркония и иттрия в растворе

 

Увеличение концентрации пропитыва­ющих растворов более 500 кг/м3 не целесо­образно, поскольку происходит значительное повышение вязкости рабочего раствора и, соответственно, ухудшение пропитываемости вискозной нити.

Заключение

Разработана технология синтеза керамиче­ских волокон ZrO2-Y2O3 методом пропитки скрученных вискозных нитей раствором ок- синитрата циркония с добавлением нитрата иттрия. Установлено, что наиболее прочные волокна на растяжение до 190 МПа получают­ся при концентрации раствора 500 кг/м3 (в пе­ресчете на оксиды). Диаметр полученных во­локон составляет 0,3-0,4 мм, а длина - 5-20 мм. При повторной пропитке предварительно отож­женных при 400 °С волокон раствором того же состава и последующем высокотемпературном обжиге (при 1400 °С) предел прочности воло­кон повышается до 213 МПа.

Об авторах

С. М. Титова
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»
Россия


Н. В. Обабков
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»
Россия


А. Ф. Закирова
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»
Россия


В. С. Докучаев
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»
Россия


И. Ф. Закиров
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»
Россия


Для цитирования:


Титова С.М., Обабков Н.В., Закирова А.Ф., Докучаев В.С., Закиров И.Ф. Получение керамических волокон на основе диоксида циркония с использованием вискозного материала. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2019;(1):85-90.

For citation:


Titova S.M., Obabkov N.V., Zakirova A.F., Dokuchaev V.S., Zakirov I.F. Production of zirconia-based ceramic fibers using viscose material. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2019;(1):85-90. (In Russ.)

Просмотров: 38


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2542-0542 (Print)