Мезоструктура керамических образцов из природных глин Оренбургской области по данным оптической микроскопии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Мезоструктура керамических образцов из природных глин Оренбургской области по данным оптической микроскопии

Кушнарева О.П.

Глины являются одним из давно и широко используемых видов минерального сырья. В необъятном мире современных материалов традиционная алюмосиликатная керамика, несмотря на солидный возраст, по-прежнему занимает ведущее место [1]. В различных отраслях промышленности широко применяют глинистые алюмосиликатные минералы и изделия из них.

Это производство строительной и тонкой керамики, цемента, огнеупорных материалов, глинистых растворов для буровых установок, производство бумаги, минеральных красок, очистка нефтепродуктов и жиров и многое другое. Такое неослабевающее внимание к глинистому сырью обусловлено широчайшим диапазоном его физических и химических свойств.

Подробно изучены глины европейской части России, и очень мало сведений о глинах Южного Урала. Возможность использования Оренбургских глин в производстве функциональных материалов представляется актуальной задачей.

Целью настоящей работы являлась исследование мезоструктуры образцов на основе местных природных глин методом оптической микроскопии. каолиновая глина оптическая микроскопия

При исследовании порошковых материалов большое значение имеет информация о форме и размерах структурных составляющих - зернах, включениях, порах. Для выполнения таких анализов широкое распространение получили микроскопические методы. Они информативны и при этом доступны.

Оптическая микроскопия (ОМ) обеспечивает измерение объектов размером обычно от 500 до 1 мкм, растровая и просвечивающая электронная микроскопия (РЭМ и ПЭМ) эффективно используются для исследования объектов от 1 до 0,0001 мкм.

В материалах, получаемых с помощью порошковых технологий, всегда важно оценить в первую очередь количество и форму пор, их распределение по размерам. Микроскопические методы эффективны как для получения качественной информации о пористости, так и для полуколичественных и количественных измерений, особенно в случае, когда количество пор невелико.

Для определения пористости целесообразно использовать увеличение 100 крат для пор размерами более 50 мкм и увеличение свыше х500 для пор меньших размеров. Оценка пористости спеченных материалов заключается в просмотре нетравленой поверхности шлифа, выборе характерного участка, то есть участка, который полностью представляет исследуемую поверхность и проведении серий измерений в соответствии с одним из количественных методов: точечного (метода Глаголева), линейного метода или метода площадей [3].

В качестве объекта исследования были выбраны две типичные природные глины Оренбургской области - каолинит (К) и монтмориллонит (М) содержащие. Методом полусухого прессования формовали образцы в виде дисков диаметром 35 и высотой 10 мм. В течение двух суток образцы высушивались на воздухе, а затем в сушильном шкафу при 140 ⁰С, 4 часа. Температурное воздействие осуществлялось в режиме последовательного «ступенчатого» обжига, когда одни и те же образцы выдерживались при температурах 300, 500, 700, 800, 900 и 1000 °С и в режиме «быстрого» нагрева, во время которого образцы обжигались только при одной температуре 1000 °С и 1100 °С. Время обжига составляло 2 часа, скорость нагрева печи 30 град/мин, охлаждение осуществлялось вместе с печью.

В нашей работе проводили исследования поверхности неразрушенных спеченных образцов и приготовленных из них порошков. Использовали цифровой оптический микроскоп, работающий в отраженном свете. Увеличение микроскопа х100 раз, обработка полученных снимков проводилась с помощью пакета офисных программ.

Информацию об изменениях в структуре каолиновой глины можно получить из снимков, представленных на рисунке 1.

Рисунок 1 - Макроструктура образцов каолиновой глины, а) после сушки; б) после обжига при 1000 °С «медленный» нагрев

Так как данный материал прошел предварительную обработку, он был выравнен и можно даже сказать нормализован, изменений, подобных изменениям в монтмориллонит содержащей глине, отметить не получается. Цвет образцов остался тем же белым, что и после сушки, равномерно белым. Пористость в общем уменьшилась, однако, в образцах после обжига обнаруживаются незначительные трещины.

На рисунке 2 представлены изображения поверхности изломов образцов монтмориллонит содержащей глины, полученные при увеличении 100 крат.

Рисунок 2 - Мезоструктура образцов монтмориллонит содержащей глины, а) после сушки; б) после «медленного» нагрева до 1000 °С; в) поверхность образца, центральная часть

На снимках отчетливо видна неоднородность структуры. После сушки цвет образца неравномерный, серо-землистый со слабым голубоватым оттенком, причем отдельные области отличаются по цвету от других. Заметно большое количество крупных и мелких пор, которые беспорядочно распределены по всему объему образца (рисунок 2 а).

После нагревания можно отметить результаты глубоких внутренних процессов, произошедших в изучаемых образцах. Цвет за счет высокого содержания соединений железа становится красно-кирпичным, неоднородность по-прежнему сохраняется. На снимках излома можно наблюдать отдельные участки слоистого вида, на которых интенсивность красного цвета градиентно изменяется. В структуре хорошо видны зоны, имеющие вид стеклофазы, цвет этих зон часто сине-фиолетовый. Пористость заметно сократилось, уменьшилось общее число пор вследствие потери влаги, однако отмечается появление пор достаточно большого размера, с «оплавленными» внутренними поверхностями, что тоже свидетельствует о протекании твердофазных реакций (рисунок 2 б).

На поверхности образца (рисунок 2 в) наблюдается высокая плотность белых мелких кристалликов, размеры которых составляют десятки мкм. Согласно результатам рентгенофазового анализа, это частицы -кристобалита, образующиеся при частичной кристаллизации жидкой стеклофазы. Объемная доля их не превышает 5 %.

Анализ полученных изображений подтверждает глубокие структурные различия в исследуемых материалах и, следовательно, различия в физических и химических свойствах. В природном полифазном материале при обжиге происходит гораздо больше разнообразных превращений.

Для количественной оценки полученные изображения объектов были обработаны с использованием программы ImageJ и дополнительного модуля FracLac [6].

При анализе изображений были определены размеры частиц (площади) и рассчитано распределение. На рисунках 3 и 4 представлены результаты для образцов каолиновой глины.

Рисунок 3 - Образец каолиновой глины после сушки

Рисунок 4 - Образец каолиновой глины после обжига при 1000 °С

В образцах каолиновой глины после обжига наблюдается значительное укрупнение частиц, доля самых мелких снизилась почти на треть, частиц с площадью до 0,154 мкм² стало больше почти на 20%.

На рисунках 5 и 6 представлены результаты распределения по площадям для образцов монтмориллонит содержащей глины.

Рисунок 3 - Образец монтмориллонит содержащей глины после сушки

Рисунок 6 - Образец монтмориллонит содержащей глины после «медленного» нагрева до 1000 °С

Увеличение размеров частиц произошло и в образцах монтмориллонит содержащей глины, изменения здесь более серьезные, доля мелких частиц уменьшилась более чем на 60%.

Под воздействием температуры происходит соединение частиц материала в единое целое. Движущей силой спекания является стремление к уменьшению свободной поверхностной энергии либо за счет заполнения пор, либо за счет их вытеснения на поверхность, либо за счет их сокращения.

Список литературы

1. Доклад ЮНЕСКО по науке «На пути к 2030 году». -http://unesdoc.unesco.org/images/0023/002354/235407r.pdf

2. Тимченко, Е. В. Цифровая оптическая микроскопия: учеб. пособие / Е.В. Тимченко, П.Е. Тимченко. - Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2015. - 104 с. ISBN 978-5-7883-1003-9

3. Ионкина, Е. М., Керженцева Л. Ф. Количественный анализ структуры спеченных материалов. - Минск, Белор. Полит. ин-т, 1985, - 135 с.

4. Практикум по технологии керамики: учеб. пособие для вузов / Н.Т. Андрианов [и др.]; под ред. проф. И. Я. Гузмана. - М.: ООО РИФ «Стройматериалы», 2014. - 336с. ISBN 5-94026-005-5

5. Каныгина, О.Н. Физические аспекты термостойкости оксидной керамики / О.Н. Каныгина. - Бишкек : КРСУ, 2003. - 192 с.

6. Филяк, М. М. Оптико-математические методы исследования поверхностей материалов: практикум / М. М. Филяк, О. Н. Каныгина, А. Г. Четверикова; М-во образования и науки Рос. Федерации, Федер. гос. бюджет. образоват. учреждение высш. образования "Оренбург. гос. ун-т". - Оренбург : ОГУ. - 2018. - ISBN 978-5-7410-2103-3. - 109 с.

Размещено на Allbest.ru