Физическая химия силикатов и других тугоплавких соединений - Горшков В.С.
ISBN 5-06-001389-8
Скачать (прямая ссылка):
ГЛАВА 2
ПРОЦЕСС СПЕКАНИЯ
2.1. СУЩНОСТЬ И ВИДЫ СПЕКАНИЯ
Под спеканием в общем случае понимается происходящий при высоких температурах процесс уплотнения (уменьшения пористости) и упрочнения пористого зернистого материала, который сопровождается, как правило, уменьшением внешних размеров спекающегося тела (усадкой).
В реальных условиях в технологии силикатных и других тугоплавких материалов спеканию подвергаются изделия, полученные прессованием тонкозернистых порошкообразных масс. Такие прессовки имеют в зависимости от вида и гранулометрического состава исходного порошка, а также давления прессования общую пористость порядка 25...60% (об.) (под порами понимается свободное пространство между отдельными зернами прессовки и собственно поры внутри зерен и кристаллов). Конечным результатом спекания является получение из такого конгломерата слабосвязанных силами адгезии и трения зерен плотного и прочного камневид-ного тела.
Таким образом, спекание сводится в сущности к «удалению» пор из пористого тела за счет их зарастания (заполнения веществом). Под абсолютным спеканием понимается полное исчезновение пор, когда величина кажущейся плотности рКаж (отношение массы тела к его объему, включая объем пор) достигает значения истинной плотности рИСт (отношение массы тела к его объему, исключая объем пор). Имеются различные способы характеристики степени спекания, но все они основываются на изменении при спекании пористости и плотности вещества. Можно, например, характеризовать степень спекания относительной плотностью
ротн=ркаж/рист ИЛИ ОТНОСИТелЬНОЙ ПОрИСТОСТЬЮ П0тн = П2/Пь Где П1
и Пг — общая пористость соответственно до и после спекания. Материал достигает абсолютного спекания (т. е. когда общая пористость равна нулю) при р0тн= 1 и Потн^О.
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
332
определяющих в значительной степени свойства получаемых изделий. С увеличением степени спекания изделий возрастает их плотность, прочность, твердость, постоянство объема при высоких температурах, химическая стойкость и сопротивляемость воздействию различных агрессивных сред, теплопроводность, уменьшается газо-и водопроницаемость и т. д. Очень часто процесс спекания сопровождает при обжиге синтез различных минералов в изделиях на основе силикатных и других тугоплавких материалов.
Сущность процесса спекания заключается в самопроизвольном заполнении материалом при достаточно высокой температуре пор в зернистом спекающемся теле, в результате чего происходит увеличение его плотности. С термодинамической точки зрения спекание представляет собой нестационарный необратимый процесс перехода системы за счет самопроизвольного уплотнения дисперсного пористого тела в более стабильное, устойчивое состояние.
Движущая сила процесса спекания — поверхностная энергия. В исходном состоянии пористое тело, полученное прессованием порошков и имеющее развитую внутреннюю межфазовую поверхность, представляет собой систему, далекую от термодинамического равновесия. Это обусловлено повышенным запасом свободной поверхностной энергии, т. е. энергии нескомпенсированных 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 и реализуется за счет заполнения веществом пор между зернами и внутри зерен, что приводит к сокращению внутренней поверхности тела.
Основной физический процесс при спекании — процесс массо-переноса (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. Наиболее часто встречающимися в технологии силикатных и других тугоплавких материалов являются твердофазовое и жидкостное спекание. В зависимости от состава спекающегося материала и условий спекания один из его видов может преобладать, т. е. проявляться в более или менее чистом виде (например, при спекании тугоплавких оксидных материалов решающая роль обычно принадлежит твер-дофазовому спеканию, для глиносодержащей керамики характерно жидкостное спекание и т. д.), однако для многих материалов наблюдается часто совместное действие различных видов спекания.
333
Ниже приводится характеристика отдельных видов спекания в их чистом виде.
2.2. ТВЕРДОФАЗОВОЕ СПЕКАНИЕ
Этот вид спекания осуществляется за счет переноса вещества в твердой фазе в отсутствие жидкости и без участия газовой фазы, причем под действием только температуры (без приложения к спекающемуся телу внешнего давления).
