химия
ТВЕРДОГО ТОПЛИВА <1 • 2004
УДК 661.66.2
© 2004 г. Самойлов В.М., Остронов Б.Г.
ВЛИЯНИЕ АИИЗОМЕТРИИ ЧАСТИЦ НАПОЛНИТЕЛЯ И СПОСОБА ПРЕССОВАНИЯ НА ПЛОТНОСТЬ И КОЭФФИЦИЕНТ ТЕРМИЧЕСКОГО РАСШИРЕНИЯ МЕЛКОЗЕРНИСТЫХ ГРАФИТОВ
Исследовано влияние анизометрии частиц наполнителя и способа прессования на плотность и коэффициент термического расширения (КТР) мелкозернистых графитов на основе изотропных и анизотропных наполнителей. Показано, что в случае однонаправленного прессования увеличение размеров частиц наполнителя или уменьшение их анизометричности приводит к повышению плотности прессованных заготовок. В случае изостатического прессования анизометричные частицы наполнителя ориентируются хаотически, что снижает плотность графитов. Получение плотных изотропных графитов с КТР порядка 3.3 ■ 10-6 К-1 на основе наполнителей с частицами анизометричной формы возможно при использовании двухкомпонентных наполнителей, содержащих до 40% и более мелких частиц с формой, близкой к изометричной.
Для получения мелкозернистых искусственных графитов (ИГ) используют порошкообразные углеродные наполнители с крупностью частиц менее 150 мкм и различные пеки и смолы в качестве связующего [1-5]. В качестве наполнителей применяют углеродные материалы с различной текстуриро-ванностью [1, 2]. Ряд сырьевых материалов изначально обладает выраженной ориентацией углеродных слоев (текстурой) в объемах, сравнимых с размерами частиц, полученных при измельчении наполнителя; к ним относятся, например, игольчатые коксы и естественные графиты [1, 2]. Напротив, для ряда других наполнителей текстурированность слабо выражена; обладая квазиизотропной структурой частиц, к ним относятся некоторые виды коксов, различные виды саж, порошки искусственных графитов и т.д. [1-3].
Использование высокотекстурированных наполнителей оказывает заметное влияние на свойства получаемых ИГ. Известно, например, что высокую термопрочность и минимальные коэффициенты термического расширения (КТР) имеют ИГ на основе игольчатых коксов [1, 2]. Так, для мелкозернистых ИГ на основе игольчатого кокса значения КТР не превышают 3.5 ■ 10-6 К1 [1, 2]. С другой стороны, из-за анизотропии прочностных свойств углеродных материалов частицы измельченных высокотекстурированных наполнителей всегда анизометричны [2, 4]. Коэффициент анизометрии частицы обычно определяется методами оптической или электронной микроскопии как отношение ее наибольшего размера к наименьшему [2, 4]. Наличие высокоанизометричных частиц в составе дисперсного наполнителя может обычно приводить к снижению плотности прессованных заготовок [6] и предопределяет возможную анизотропию физических свойств получаемых материалов [1, 2, 5].
Цель данной работы - исследование влияния анизометрии частиц наполнителя на плотность и КТР прессованных и графитированных заготовок мелкозернистых графитов.
В качестве исходных материалов использовали высокотекстурированный игольчатый кокс (ИК) фирмы "Мицубиси" (Япония) с температурой прокалки 1600°С и мелкозернистый искусственный графит МПГ с квазиизотропной структурой, прошедший высокотемпературную обработку (графитацию) при температуре 2600°С. Пикнометрические плотности игольчатого кокса "Ми-цубиси" и графита МПГ составляли 2.16 и 2.21 г/см3 соответственно.
Исходные материалы предварительно дробили на молотковой дробилке. Предельная крупность частиц после дробления составляла менее 3 мм. Тонкое измельчение игольчатого кокса и графита МПГ проводили на лабораторной вибромельнице М-10. Для получения тонкодисперсного порошка графита МПГ в данной работе был использован роликовый виброистира-тель ИВЧ-3 производства НИИ "Механобр".
Размер частиц наполнителей определяли на лазерном анализаторе частиц "Анализетте-22" фирмы "Фрич". Анизометрию частиц находили методом оптической микроскопии, определяя средние величины анизометрии на образцах после диспергирования в ацетоне и высушивания на предметном стекле микроскопа. При этом определяли коэффициенты анизометрии наиболее крупных частиц наполнителя, оказывающих, как известно, наибольшее влияние на плотность упаковки частиц [6]. Основные характеристики использованных в работе наполнителей - размеры частиц и коэффициенты анизометрии - приведены в табл. 1.
В качестве связующего использовали фенолформальдегидную смолу. Наполнитель со связующим смешивали по методике, приведенной в работе [7]. Содержание связующего для всех исследованных композиций не менялось и составляло 18% от массы наполнителя.
Экспериментальные заготовки ИГ получали с использованием двух принципиально различающихся способов формования [8, 9]. Первую серию заготовок получали путем прессования пресс-порошков в обогреваемой матрице. При таком способе формования усилие пресса передается образцу через пуансоны матрицы. По направлению действующих на образец сил прессование является однонаправленным, или, иначе, одноосным [6, 8, 9]. Воздейст-
Рис. 1. Упаковка частиц анизометричного наполнителя после прессования: а - одноосное прессование в матрицу; б - изостатическое прессование; в - изостатическое прессование двухкомпонентного наполнителя
вие приложенного давления приводит к ориентации анизометричных частиц в плоскости, перпендикулярной оси прессования заготовки, как это показано на рис. 1,а.
Вторую серию заготовок графитов получали изостатическим прессованием. При этом усилие прессования передается образцу через окружающую
Таблица 1
Размеры и анизометрия частиц наполнителей, использованных для получения заготовок искусственных графитов
Размеры частиц, мкм
Наполнитель
коэффициент анизометрии частиц, отн. ед.
максимальный
средний
Игольчатый кокс
Графит МПГ
120 10 120 10
35.0 2.2 33.0
3.55* 1.52** 1.33* 1.25**
1.8
* Определено для интервала размеров частиц 100-120 мкм.
** Определено для интервала размеров частиц 8-10 мкм.
Рис. 2. Зависимость плотности прессованных заготовок на основе игольчатого кокса и графита МПГ от давления прессования: 1, 3 - графит МПГ; 2, 4 - игольчатый кокс; 1,2 - предельная крупность частиц менее 120 мкм; 3, 4 - предельная крупность частиц менее 10 мкм
его газовую среду, а формование заготовки происходит за счет всестороннего сжатия пресс-порошка, помещенного в эластичную оболочку [8, 9]. Ориентирующее воздействие приложенного давления на анизометричные частицы отсутствует, и их ориентация в объеме прессованной заготовки носит случайный характер, как это показано на рис. 1,6.
И в том, и в другом случае прессование заготовок сопровождалось их внешним нагревом от 70 до 180°С. При этом на начальном этапе прессования по мере прогревания пресс-порошка происходило расплавление, а на завершающем - отверждение связующего. Полученные после прессования заготовки диаметром 30 мм и длиной 40 мм обжигали при температуре 900°С и графитировали при 2800°С в инертной среде. Определяли плотность образцов после прессования и графитации.
На рис. 2 приведены зависимости плотности С прессованных в матрице заготовок от величины приложенного давления, для образцов на основе графита МПГ и на основе игольчатого кокса с различной крупностью частиц. Из приведенных на рис. 2 данных видно, что плотность заготовок на основе всех наполнителей увеличивается с ростом давления прессования. Использование графита МПГ с крупностью частиц менее 120 мкм позволяет получать максимально плотные, для данной серии, заготовки (рис. 2, кривая 1). Использование в качестве наполнителя игольчатого кокса с той же крупностью частиц приводит к значительному уменьшению плотности заготовок (рис. 2, кривая 2). Так как значения пикнометрической плотности для игольчатого кокса и графита МПГ весьма близки, указанные различия в плотности прессованных заготовок связаны с различной анизометрией частиц исследуемых наполнителей.
Уменьшение размеров частиц наполнителя при фиксированном давлении прессования приводит к резкому снижению плотности прессованных загото-
вок (рис. 2, кривые 3, 4), что вполне объяснимо, если учитывать известную тенденцию к росту жесткости композиции при повышении степени дисперсности наполнителя [8, 10]. Следует отметить, что зависимости плотности прессованных заготовок от величины приложенного давления для тонкодисперсных фракций игольчатого кокса и графита МПГ (рис. 2, кривые 3, 4) отличаются друг от друга меньше, чем плотности заготовок на основе тех же наполнителей с большей крупностью частиц (рис. 2, кривые 1, 2). Отмеченная особенность связана с тем, что уменьшение размеров частиц наполнителей сопровождается снижением значений коэффициентов анизометрии (табл. 1). В результате при использовании тонкодисперсных наполнителей негативное влияние анизометрии частиц на плотность упаковки становится не столь значительным, как при использовании тех же наполнителей с большей крупностью частиц.
Таким образом, для исследуемых композиций плотность заготовок ИГ, полученных путем одноосного прессования, определяется размерами частиц наполнителя и анизометрией его частиц. При фиксированном давлении прессования уменьшение размеров частиц наполнителя или повышение анизометрии его частиц приводит к снижению плотности прессованных заготовок.
С ростом величины приложенного давления плотность прессованных заготовок увеличивалась. Однако в результате ряда технологических экспериментов было установлено, что для получения целостных заготовок ИГ после обжига и графитации плотность прессованных заготовок не должна превышать 1.70-1.75 г/см3 при использовании игольчатого кокса и 1.75-1.80 г/см3 -при использовании графита МПГ. Указанные ограничения связаны, по-видимому, с накоплением внутренних напряжений в заготовке при прессовании [8]. В результате, если учитывать объемные усадки и потери массы при термообработке, предельно возможные плотности полученных заготовок ИГ первой серии составили 1.79 г/см3 для игольчатого кокса и 1.83 г/см3 для графита МПГ.
Вторую серию образцов графита получали изостатическим прессованием. Очевидно, что переход к хаотической ориентации анизометричных частиц должен сопровождаться снижением плотности упаковки частиц наполнителя (рис. 1, а и •). В практике получе
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.