Зміцнені сподуменові склокомпозиційні матеріали технічного призначення
Вантажиться...
Дата
2021
ORCID
DOI
Науковий ступінь
доктор філософії
Рівень дисертації
Шифр та назва спеціальності
161 – Хімічні технології та інженерія
Рада захисту
Спеціалізована вчена рада ДФ 64.050.062
Установа захисту
Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут"
Науковий керівник
Саввова Оксана Вікторівна
Федоренко Олена Юріївна
Федоренко Олена Юріївна
Члени комітету
Видавець
Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут"
Анотація
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 161 – Хімічні технології та інженерія (галузь знань 16 Хімічна та біоінженерія). – Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», Харків, 2021. Дисертацію присвячено розробці зміцнених склокомпозиційних матеріалів на основі сподумену поліфункціонального призначення, зокрема для індивідуального захисту від високошвидкісного динамічного навантаження та деталей електричних приладів. Предмет дослідження: процеси структуро- та фазоутворення склокристалічних матеріалів на основі літійалюмосилікатних стекол, механізми зміцнення, експлуатаційні властивості та технологічні параметри одержання склокомпозиційних матеріалів. Об’єкт дослідження: зміцнені склокомпозиційні матеріали технічного призначення. Методи дослідження. Визначення фізико-хімічних властивостей стекол та експлуатаційних характеристик склокристалічних (СКМ) та склокомпозиційних матеріалів (СКпМ) проводили з використанням спеціальних та стандартних методик, згідно з вимогами діючих нормативних документів до силікатних виробів та виробів для індивідуального захисту й деталей електричних приладів. Більш детально усі використані методи досліджень розглянуті у відповідному розділі роботи. Відносну діелектричну проникність та тангенс кута діелектричних втрат на частотах ультракоротких хвиль визначали за допомогою комп'ютерного порівняльного аналізу експериментальної та розрахункової частотної залежності коефіцієнту стоячої хвилі дослідного зразку. Дослідження складу, структури, фізико-хімічних та експлуатаційних властивостей дослідних зразків здійснювали з використанням обладнання: кафедри технології кераміки, вогнетривів, скла та емалей НТУ «ХПІ», кафедри прикладної електродинаміки ХНУ ім. В.Н. Каразіна, НТК «Інститут монокристалів» НАНУ та ПАТ «УкрНДІВ» ім. А.С. Бережного (м. Харків). Балістичні випробування дослідних зразків проводились у науково-дослідній лабораторії факультету військової підготовки Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут». Електрофізичні випробування дослідних зразків проводились на базі КП «Міськелектротранссервіс» і кафедри електроізоляційної та кабельної техніки НТУ «ХПІ». За результатами проведених теоретичних, лабораторних та балістичних досліджень за темою дисертаційної роботи одержані такі наукові результати: Розроблено склади зміцнених склокомпозиційних матеріалів (СКМ) з високою тріщинностійкістю на основі β-сподумену технічного призначення та визначено оптимальні технологічні параметри їх одержання, які забезпечують формування нано- та субмікронної об'ємнозакристалізованої структури за механізмом спінодального фазового розділення в умовах двостадійної низькотемпературної термічної обробки. Вперше: − встановлено тристадійний механізм структуро- та фазоутворення в стеклах системи R₂O–RO–RO₂–R₂O₃–LiF–CaF₂–P₂O₅–SiO₂, за яким на першому етапі за умов додержання свіввідношення Al₂O₃ : SiO₂ = 1 : 3–6 та вмісту Li₂O = 8–10 мас. %, Σ (TiO₂, ZnO, CeO₂, P₂O₅) = 6,5 мас. % спостерігаєтьсся утворення сиботаксичних груп [Si₂O₆] у розплаві. На другому етапі забезпечення інтенсивного формування зародків метасилікату літію (Т = 550 °С) у формі сферолітів за механізмом фазового розділення дозволяє створити умови для кристалізації β-евкриптиту (Т = 650 °С) при забезпеченні в'язкості η = 108,7-9,26 Па·с. На третьому етапі спостерігається протікання об'ємної тонкодисперсної кристалізації скла за рахунок перекристалізації в стабільні кристали β-сподумену стовбчастого плаского призматичного габітуса (Т = 850 °С) з вмістом кристалів 50–80 об.% та їх розміром від 0,4 до 1,0 мкм; − встановлено, що сподуменвмісні склокристалічні та склокомпозиційні матеріали теплотехнічного, електротехнічного і радіотехнічного призначення, що отриманні за скляною та керамічною технологією методами шлікерного лиття та пресування і зміцненні шляхом іонообмінної обробки в парах над розплавом або у розплаві NaNO₃, характеризуються регульованою світлопроникністю Т ≤ 0,7 % та високими експлуатаційними влативостями (K1C = 2,6–3,5 МПа·м0,5; HV = 8,2–10,8 ГПа; ζст = 620–820 МПа; α = 22,4–27,6·10-7 град-1; Трозм = 1250 °C; Ем = 37 МВ/м; tgδ = 0,008; ε = 9, lg ρv = 15, f = 106 Гц, t = 20 °С) та радіопрозорістю (tgδ = 0,006; ε = 4,75, lg ρv = 15, f = 1010 Гц, t = 20 °С); − встановлено, що забезпечення об'ємного зміцнення СКМ шляхом введення наповнювачів – ZrO₂, стабілізованого Y₂O₃, або a-SiC та формування градієнтної тришарової структури СКпМ (СКМ; СКМ та 30 мас. % a-SiC; графіт) зі змінною ε: 4,75; 6,2 та 12,3 дозволяє отримати методом пресування сподуменові склокомпозиційні матеріали з високими термомеханічними властивостями (K1C = 3,5–8,1 МПа·м0,5; HV = 8,94–10,65 ГПа; KCU=5,6–6,2 кДж/м²; Е = 308 –320 ГПа; RE 90(h); М = 1,16 ГПа²·м³·кг⁻¹; υ = 13,27 км/с; В = 1,1 м1/2; ρ = 2410 кг/м³), для розробки полегшених бронеелементів для індивідуального захисту (клас захисту 6), зокрема зі здатністю до радіопоглинання для забезпечення маскування засобів озброєння. У вступі обґрунтовано актуальність проблеми, показано зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами, сформульовано мету і задачі, об'єкт, предмет та методи дослідження, визначено наукову новизну та практичне значення роботи, охарактеризовано особистий внесок здобувача та апробацію роботи. Перший розділ присвячено аналізу сучасних наукових досліджень в напрямку створення полегшених високоміцних матеріалів для індивідуального захисту від високошвидкісного динамічного навантаження та теплотехнічного призначення. Обґрунтована необхідність застосування СКМ для розробки високоміцних бронеелементів, елементів тепло-, електро- та радіотехніки. У другому розділі обґрунтовано вибір напрямків і методики досліджень процесів формування та властивостей розроблених СКМ та СКпМ, а також подано опис розрахункових та експериментальних методів, застосованих у роботі. Наведена характеристика вихідних сировинних компонентів, висвітлені результати попередніх досліджень та сформульована робоча гіпотеза. Третій розділ присвячений розробці вихідних літійалюмосилікатних стекол для розробки високоміцних сподуменвмісних склокристалічних матеріалів із заданими фізико-хімічними, технологічними та експлуатаційними характеристиками, зокрема, з високою світлопроникністю для застосування в теплотехніці. Четвертий розділ містить експериментальні результати оптимізації складу скла для одержання СКМ, технологічних параметрів термічної обробки та зміцнення, формування градієнтної структури сподуменвмісних склокомпозиційних матеріалів для створення полегшених бронеелементів для індивідуального захисту, елементів електротехніки та радіотехніки з властивостями до радіопоглинання або радіопрозорості. У п'ятому розділі наведено технологію одержання високоміцних СКМ та СКпМ військового та технічного призначення та результати випробувань електрофізичних властивостей розроблених СКпМ, бронестійкості та вогнестійкості зразків. Визначена конкурентоздатність розроблених сподуменвмісних склокомпозиційних матеріалів з урахуванням їх
технологічності, вартості та ваги виробів.
The thesis submitted for the degree of Doctor of Philosophy on the specialty 161 – Chemical Technologies and Engineering‖ (field of expertise 16 Chemical and Bioengineering). – National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute", Kharkiv, 2021. The thesis is devoted to the development of strengthened glass composite materials based on spodumene for technical purposes, in particular, for individual protection against high-speed dynamic loading and parts of electrical devices. Subject of research are the processes of structure and phase formation of glass-ceramic materials based on lithium aluminosilicate glasses, strengthening mechanisms, performance properties and technological parameters for obtaining of glass composite materials. Object of research is strengthened glass composite materials for technical purposes. Research methods. Determination of the physicochemical properties of glasses and the performance characteristics of glass-ceramic (GCM) and glasscomposite materials (GCpM) was carried out using special and standard techniques, given in the corresponding chapter of the work. The relative dielectric constant and the loss-angle tangent at the frequencies of ultra-short waves were determined using a computer comparative analysis of the experimental and calculated frequency dependence of the standing wave ratio of the test sample. The physicochemical properties of the materials were determined in accordance with the requirements of the current regulatory documents for silicate materials. The research was carried out using the equipment of the Department of Technology of Ceramics, Refractories, Glass and Enamels of NTU «KhPI», Department of Applied Electrodynamics of V.N. Karazin Kharkiv National University, Scientific and Technological Complex «Institute of Single Crystals» of the National Academy of Sciences of Ukraine, JSC «UkrRI of Refractories» named after A.S. Berezhny (Kharkiv). Ballistic tests of test samples were carried out in the A0501 military unit (Chuguiv). Electrophysical tests of samples were carried out by UC "Gorelektrotransservice". As a result of the research on the topic of the dissertation work, the following scientific results were obtained: Compositions of reinforced glass-composite materials with high crack resistance based on β-memory of technical purpose have been developed and optimal technological parameters of their production have been determined, which provide formation of nano- and submicron volume-crystallized structure by spinodal phase separation mechanism in two-stage low-temperature processing. For the first time: – a three-stage mechanism of structure and phase formation in glasses of the R₂O–RO–RO₂–R₂O₃–LiF–CaF₂–P₂O₅–SiO₂ system was established, according to which: at the first stage, provided that the ratio Al₂O₃ : SiO₂ = 1: 3-6 and the content of Li₂O = 8–10 wt. %, Σ (TiO₂, ZnO, CeO₂, P₂O₅) = 6.5 wt. % the formation of the [Si₂O₆] sybotaxic groups were observed in the melt; at the second stage, ensuring the intensive formation of nuclei of lithium metasilicate (T = 550 °C) in the form of spherulites by the phase separation mechanism makes it possible to create conditions for the crystallization of β-eucryptite (T = 650 °C) Pa·s while ensuring the viscosity η = 108,7-9.26 Pa·s. At the third stage, volumetric fine-disperced crystallization of glass was observed due to recrystallization into stable crystals of β-spodumene of a columnar planar prismatic habit (T = 850 °C) with a crystal content of 50–80 vol.% and their size from 0.4 to 1.0 μm; – it has been established that effective spodumene-containing glass-ceramic and glass-composite materials for thermal, electrical and radio engineering purposes, obtained by glass and ceramic technology by slip casting and pressing and strengthening by ion-exchange treatment in vapors over the melt or in the NaNO₃ melt, were characterized by adjustable light transmittance T≤0.7% and high operational properties (K1C = 2.6–3.5 MPa ·m0.5; HV = 8.2–10.8 GPa; ζcom = 620–820 MPa, α = (22.4-27.6)∙10- 7 deg-1; Tsoft = 1250 ° C, Em = 37 MV/m; tgδ = 0.008; ε = 9, log ρv = 15, f = 106 Hz, t = 20 °C) and radio transparency (tg δ = 0.006; ε = 4.75, log ρv = 15 f = 1010 Hz, t = 20 °C). – it was found that the ensure of volume strengthening of GCM by adding of fillers – ZrO₂ stabilized with Y₂O₃ or a-SiC and the formation of a gradient threelayer structure of GCpM (GCM; GCM and 30 wt% a-SiC; graphite with variable ε: 4.75; 6.2 and 12 respectively) allows to obtain by pressing method the spodumene glass composite materials with high thermomechanical properties (K1C = 3.5–8.1 MPa·m0.5; HV = 8.94–10.65 GPa; KCU = 5.6–6.2 kJ/m²; E = 308–320 GPa; RE 90 (h), M = 1.16 GPa²·m³·kg⁻¹; υ = 13.27 km/s, B = 1.1 m1/2; ρ = 2410 kg/m³), for the development of lightweight armored elements for personal protection (6 class protection), in particular, with the ability to absorb radio to ensure camouflage of weapons. The introduction substantiates the relevance of the problem, shows the connection between work with scientific programs, plans and themes, formulates the goal and objectives, object, subject and methods of research, defines the scientific novelty and practical significance of the work, characterizes the personal contribution of the applicant and approbation of the work. The first chapter is devoted to the analysis of modern scientific research in the direction of creation lightweight high-strength materials for personal protection against high-speed dynamic loading and heat engineering purposes. The necessity of using GCM for the development of high-strength armored elements and elements of thermal and electrical and radio engineering has been substantiated. In the second chapter, the choice of directions and methods for studying the formation processes and properties of the developed GCM was substantiated, as well as a description of the calculation and experimental methods used in the work was given. The characteristics of raw materials were given, the results of previous studies were highlighted and a working hypothesis was formulated. The third chapter was devoted to the development of model lithium aluminosilicate glasses for the development of high-strength spodumene-containing glass-ceramic materials with specified physicochemical, technological and operational characteristics, in particular, high light transmittance for use in heat engineering. The fourth chapter contains experimental results of optimization of glass composition for obtaining GCM, technological parameters of heat treatment and strengthening, formation of a gradient structure of spodumene-containing glasscomposite materials to create lightweight armored elements for personal protection, elements of electrical engineering and radio engineering with the ability to radio absorption and radio transparency. In the fifth chapter, the technology for obtaining of high-strength GCM and GCpM for military and technical purposes and the results of testing the electrophysical properties of the developed GCpM, armor resistance and fire resistance of samples were presented. The competitiveness of the developed spodumene-containing glass composite materials was determined, taking into account their manufacturability, cost and weight of products.
The thesis submitted for the degree of Doctor of Philosophy on the specialty 161 – Chemical Technologies and Engineering‖ (field of expertise 16 Chemical and Bioengineering). – National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute", Kharkiv, 2021. The thesis is devoted to the development of strengthened glass composite materials based on spodumene for technical purposes, in particular, for individual protection against high-speed dynamic loading and parts of electrical devices. Subject of research are the processes of structure and phase formation of glass-ceramic materials based on lithium aluminosilicate glasses, strengthening mechanisms, performance properties and technological parameters for obtaining of glass composite materials. Object of research is strengthened glass composite materials for technical purposes. Research methods. Determination of the physicochemical properties of glasses and the performance characteristics of glass-ceramic (GCM) and glasscomposite materials (GCpM) was carried out using special and standard techniques, given in the corresponding chapter of the work. The relative dielectric constant and the loss-angle tangent at the frequencies of ultra-short waves were determined using a computer comparative analysis of the experimental and calculated frequency dependence of the standing wave ratio of the test sample. The physicochemical properties of the materials were determined in accordance with the requirements of the current regulatory documents for silicate materials. The research was carried out using the equipment of the Department of Technology of Ceramics, Refractories, Glass and Enamels of NTU «KhPI», Department of Applied Electrodynamics of V.N. Karazin Kharkiv National University, Scientific and Technological Complex «Institute of Single Crystals» of the National Academy of Sciences of Ukraine, JSC «UkrRI of Refractories» named after A.S. Berezhny (Kharkiv). Ballistic tests of test samples were carried out in the A0501 military unit (Chuguiv). Electrophysical tests of samples were carried out by UC "Gorelektrotransservice". As a result of the research on the topic of the dissertation work, the following scientific results were obtained: Compositions of reinforced glass-composite materials with high crack resistance based on β-memory of technical purpose have been developed and optimal technological parameters of their production have been determined, which provide formation of nano- and submicron volume-crystallized structure by spinodal phase separation mechanism in two-stage low-temperature processing. For the first time: – a three-stage mechanism of structure and phase formation in glasses of the R₂O–RO–RO₂–R₂O₃–LiF–CaF₂–P₂O₅–SiO₂ system was established, according to which: at the first stage, provided that the ratio Al₂O₃ : SiO₂ = 1: 3-6 and the content of Li₂O = 8–10 wt. %, Σ (TiO₂, ZnO, CeO₂, P₂O₅) = 6.5 wt. % the formation of the [Si₂O₆] sybotaxic groups were observed in the melt; at the second stage, ensuring the intensive formation of nuclei of lithium metasilicate (T = 550 °C) in the form of spherulites by the phase separation mechanism makes it possible to create conditions for the crystallization of β-eucryptite (T = 650 °C) Pa·s while ensuring the viscosity η = 108,7-9.26 Pa·s. At the third stage, volumetric fine-disperced crystallization of glass was observed due to recrystallization into stable crystals of β-spodumene of a columnar planar prismatic habit (T = 850 °C) with a crystal content of 50–80 vol.% and their size from 0.4 to 1.0 μm; – it has been established that effective spodumene-containing glass-ceramic and glass-composite materials for thermal, electrical and radio engineering purposes, obtained by glass and ceramic technology by slip casting and pressing and strengthening by ion-exchange treatment in vapors over the melt or in the NaNO₃ melt, were characterized by adjustable light transmittance T≤0.7% and high operational properties (K1C = 2.6–3.5 MPa ·m0.5; HV = 8.2–10.8 GPa; ζcom = 620–820 MPa, α = (22.4-27.6)∙10- 7 deg-1; Tsoft = 1250 ° C, Em = 37 MV/m; tgδ = 0.008; ε = 9, log ρv = 15, f = 106 Hz, t = 20 °C) and radio transparency (tg δ = 0.006; ε = 4.75, log ρv = 15 f = 1010 Hz, t = 20 °C). – it was found that the ensure of volume strengthening of GCM by adding of fillers – ZrO₂ stabilized with Y₂O₃ or a-SiC and the formation of a gradient threelayer structure of GCpM (GCM; GCM and 30 wt% a-SiC; graphite with variable ε: 4.75; 6.2 and 12 respectively) allows to obtain by pressing method the spodumene glass composite materials with high thermomechanical properties (K1C = 3.5–8.1 MPa·m0.5; HV = 8.94–10.65 GPa; KCU = 5.6–6.2 kJ/m²; E = 308–320 GPa; RE 90 (h), M = 1.16 GPa²·m³·kg⁻¹; υ = 13.27 km/s, B = 1.1 m1/2; ρ = 2410 kg/m³), for the development of lightweight armored elements for personal protection (6 class protection), in particular, with the ability to absorb radio to ensure camouflage of weapons. The introduction substantiates the relevance of the problem, shows the connection between work with scientific programs, plans and themes, formulates the goal and objectives, object, subject and methods of research, defines the scientific novelty and practical significance of the work, characterizes the personal contribution of the applicant and approbation of the work. The first chapter is devoted to the analysis of modern scientific research in the direction of creation lightweight high-strength materials for personal protection against high-speed dynamic loading and heat engineering purposes. The necessity of using GCM for the development of high-strength armored elements and elements of thermal and electrical and radio engineering has been substantiated. In the second chapter, the choice of directions and methods for studying the formation processes and properties of the developed GCM was substantiated, as well as a description of the calculation and experimental methods used in the work was given. The characteristics of raw materials were given, the results of previous studies were highlighted and a working hypothesis was formulated. The third chapter was devoted to the development of model lithium aluminosilicate glasses for the development of high-strength spodumene-containing glass-ceramic materials with specified physicochemical, technological and operational characteristics, in particular, high light transmittance for use in heat engineering. The fourth chapter contains experimental results of optimization of glass composition for obtaining GCM, technological parameters of heat treatment and strengthening, formation of a gradient structure of spodumene-containing glasscomposite materials to create lightweight armored elements for personal protection, elements of electrical engineering and radio engineering with the ability to radio absorption and radio transparency. In the fifth chapter, the technology for obtaining of high-strength GCM and GCpM for military and technical purposes and the results of testing the electrophysical properties of the developed GCpM, armor resistance and fire resistance of samples were presented. The competitiveness of the developed spodumene-containing glass composite materials was determined, taking into account their manufacturability, cost and weight of products.
Опис
Ключові слова
дисертація, склокомпозиційні матеріали, β-сподумен, наноструктура, зміцнені матеріали, електричні властивості, елементи бронезахисту, вогнестійкість, градієнтна структура, glass composite materials, β-spodumene, nanostructure, hardened materials, electrical properties, armor protection elements, fire resistance, gradient structure
Бібліографічний опис
Рябінін С. О. Зміцнені сподуменові склокомпозиційні матеріали технічного призначення [Електронний ресурс] : дис. ... д-ра філософії : спец. 161 : галузь знань 16 / Святослав Олександрович Рябінін ; наук. керівники: Саввова О. В., Федоренко О. Ю. ; Нац. техн. ун-т "Харків. політехн. ін-т". – Харків, 2021. – 214 с. – Бібліогр.: с. 175-199. – укр.