На рис. 1.5.2.1. представлена структура многослойной трубки, приготовленной в Гермсдорфском институте технической химии (ГИТХ). Материалом в качестве подложки в этой трубке, которая имеет диаметр 10 мм при толщине стенок 1,5 мм, являются подвергнутые спеканию частицы оксида алюминия с порами размером 3 мкм и пористостью 30% [22]. Промежуточные слои могут иметь поры размером от 60 до 200 нм, а третий cлой - непосредственно сама мембрана - имеет размер пор до ~ 2 нм.

Керамические многослойные фильтры и мембраны практически лишены недостатков полимерных мембран (низкая механическая прочность, химическая деградация за счет гидролиза, ограничение по температуре, микробное воздействие, радиационное разрушение), но имеют очень крупный собственный недостаток - хрупкость.

Рис. 1.5.2.1 Структура многослойного керамического фильтра

1.5.3 Применение в медицине

Еще одним из наиболее перспективных направлений применения керамики, интенсивно развивающихся в настоящее время, является медицина. Использование керамических материалов существенно расширяет возможности лечения большинства заболеваний, в частности ортопедических, стоматологических и челюстно-лицевых. Одна из глобальных проблем современного медицинского материаловедения -создание искусственной кости. Последнее открывает принципиально новые возможности использования керамики для заместительной и восстановительной хирургии, нейрохирургии, стоматологии.

Основной проблемой при создании искусственной кости является воссоздание структуры костной ткани. Это связано с тем, что биомеханическая совместимость искусственного эндопротеза с костной тканью достигается в случае максимального приближения его структуры и свойств к структуре и свойствам кости. Скелет человека состоит из двух типов костной ткани: кортикальной (компактной) кости, на долю которой приходится 80% от общей массы скелета взрослого человека, и губчатой (трабекулярной), представляющей 20% скелета, но являющейся наиболее метаболически активной. В качестве примера на рис. 1.5.3.1 приведена структура берцовой кости с отдельно выделенным фрагментом структуры компактной костной ткани.Видно, что структура кортикальной костной ткани весьма неоднородна, размер пор, в зависимости от участка костной ткани, колеблется от 2 до 100 мкм при общем объеме порового пространства до 50%. При создании искусственных эндопротезов для замены утраченных фрагментов костной ткани возможно более точно воссоздать необходимую структуру и свойства утраченной костной ткани, улучшив, тем самым, их биосовместимость.

Рис. 1.5.3.1 Структура компактной берцовой кости



РАЗДЕЛ 2. ОПИСАНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1 Сканирующий электронный микроскоп

Полученные порошки изучали на электронном сканирующем микроскопе Karl Zeiss EVO 50 (Рис. 2.1.1). (Увеличение от 30 до 100000 крат при разрешающей способности до 1 нм).

Рис. 2.1.1 Сканирующий электронный микроскоп Karl Zeiss EVO 50

2.2 Изучение фазового состава частиц осадка

Рентгеновский фазовый анализ порошков проводили на установке ДРОН-3 по стандартной методике. Съемку дифрактограмм вели на CuKб отфильтрованном излучении (фильтр - никелевый) при напряжении на трубке 30 кВ и силе тока 20 мА. Для идентификации фаз использовали данные картотеки ASTM.

Петрографическое исследование порошковых проб с помощью иммерсионных препаратов проводили в проходящем свете на поляризационном микроскопе Полам Р-211. Данным методом идентифицируют фазовый состав, устанавливают размеры частиц порошка и их морфологию. Петрографический метод позволяет также определять состав аморфных фаз, которые не идентифицируются путем РФА (так называемых рентгеноаморфных фаз). Кроме того, он делает возможным определение малых количеств примесей, которые также не определяются рентгенофазовым анализом.

В основе петрографического метода лежит определение показателя преломления исследуемых частиц, который является оптической константой данного вещества. По показателю преломления устанавливается конкретная фаза и тип ее кристаллической решетки.

2.5 Определение прочностных свойств спеченных керамик

• Предел прочности: при изгибе, при осевом сжатии и при растяжении (по методике диаметрального сжатия), определяли при комнатной температуре с использованием установки TIRATEST-2300
• Прочность при ударном изгибе определяли с использованием маятникового копра.
• Критический коэффициент интенсивности напряжений - К_1с- параметр, характеризующий сопротивление инициированию разрушения, определяли при комнатной температуре в условиях трехточечного изгиба призматических образцов с боковым надрезом. Испытание проводили на установке TIRATEST-2300

2.6 Рентгеновский фазовый анализ

Анализ фазового состава спеченных образцов осуществлялся с помощью дифрактометра ARL X'TRA-145. Рентгенограммы были получены при U = 45 kV и I = 35 mA с использованием рентгеновской трубки с медным анодом (К = 1, 541 А). Сканирование дифракционной картины проводилось в диапазоне 2 = 30ч140 с шагом = 0,02 и временем экспозиции 10 с. Качественный фазовый анализ был выполнен с помощью пакета компьютерных программ Match и базы данных PDF-2.



РАЗДЕЛ 3. ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЧАСТЬ

3.1 Особенности технологического процесса получения керамики из продукта химического диспергирования сплава Al-Si (12% масс.)

В основе процесса химического диспергирования данного сплава лежит химическое взаимодействие, описываемое следующей реакцией:

2Al + Si + 3NaOH + 5H₂O = Al (OH)₃v + Na₂SiO₃v + NaAlO₂ + 5H₂^(3.1)

Продуктами этой реакции являются: смесь гидроксида алюминия с метасиликатом натрия, выделяющаяся в виде осадка, раствор алюмината натрия и водород. Состав осадка был установлен методом рентгенофазового (РФА) и петрографического анализа.

Осадок промывали (6-18 декантаций, табл.3.1.1), высушивали при 60°С (рис. 3.1.6), термообрабатывали на воздухе (1350°С) (рис.3.2.2) до образования доминирующей алюмооксидной фазы:

Al(OH)₃ > Al₂O₃ + H₂O _(пар) (3.2)

При этом метасиликат натрия расплавлялся (Т_пл=1089°С), равномерно покрывая зерна оксида алюминия, и насыщался ионами алюминия с образованием расплава нефелина (Т_пл=1275°С):

Na₂SiO_{3 (расплав)} + Al⁺³ > NaAlSiO_{4 (расплав)} (3.3)

После охлаждения полученный продукт представлял собой спек. Из измельченного спека получали шихту для прессования изделий.

В процессе спекания прессовок (1500°С) также имело место образование расплава нефелина, температура плавления которого ниже температуры спекания (нефелин зафиксирован в спеченном материале методом РФА - 25% об). Таким образом, имело место спекание с участием жидкой фазы. При охлаждении спекаемых изделий расплав нефелина кристаллизуется в гексагональной сингонии, соответствующей кристаллической структуре б - Al₂O₃.

Следует отметить, что исходный неотмытый осадок (n=0, табл.3.1.1) приходилось высушивать при повышенной температуре - 200°С, при этом образовывался прочный корж, трудно разрушаемый на отдельные куски (рис. 3.1.6). Это связано, по-видимому, с протекающим процессом полимеризации гидроксида алюминия при избыточном содержании щелочных ионов ОН^- с образованием полимерной цепи (НО)₂-Al-О-Al-(ОН)₂.

Этот процесс требует термической активации (200°С), в то время как испарение адсорбированной, химически несвязанной воды (в случае сушки отмытых осадков, n=6 и n=18) наблюдается при значительно меньшей температуре - 60°С.

Отметим также, что после термообработки на воздухе (1350°С) исходный осадок (n=0) представлял собой твердые агрегаты, которые чрезвычайно трудно измельчались до состояния дисперсного порошка, используемого для приготовления шихты. Измельчение указанных агрегатов проводили вручную с использованием фарфоровой ступки и пестика, интенсивно воздействуя ударом и истиранием.

Тогда как оба отмытых осадка (n=6 и n=18) легко растирались в ступке пестиком до состояния дисперсного порошка.

Фазовый состав исходного осадка (n=0), а также его фазовый состав после термообработки на воздухе и в составе спеченных образцов следует изучить в ходе дальнейшего исследования. Это позволит установить специфику спекания данного материала.

Особенностью процесса отмывки осадка (табл.3.1.1) является неизменность показателя рН - среды после 12-ой декантации, что связано с невозможностью удаления ионного слоя (рис. 3.2.4), состоящего из гидроксильных групп ОН^-, с поверхности частиц осадка, обладающих повышенной адсорбционной способностью. Количество гидроксильных групп (их концентрация) в составе ионного слоя связано со степенью дисперсности частиц осадка: чем выше дисперсность частиц, тем больше концентрация гидроксильных групп. По-видимому, удаление рассматриваемого ионного слоя возможно только химическим методом, например, путем кислотной отмывки. Однако, при этом, следует ожидать изменения фазового состава спеченного материала: может не произойти синтез нефелина.

Методом мокрого ситового анализа показано (рис. 3.1.4 и 3.1.5), что основную массовую долю частиц осадка составляют дисперсные частицы, прошедшие через сито с размером ячеек - 50 мкм. По-видимому, это частицы микронного, субмикронного и наноразмерного диапазона соединений: Al(OH)₃ и Na₂SiO₃. Распределение частиц по размерам внутри этой фракции (<50 мкм) в дальнейшем следует установить с использованием других методик (РЭМ, лазерная дифракция, электроакустический метод).

Рис. 3.1.1 Тонкая структура порошка

Следует учесть, что повышенная адсорбционная способность частиц данного осадка по отношению к гидроксильным ионам напрямую связана с их весьма высокой дисперсностью.



Рис. 3.1.2 Тонкая структура порошка

В тоже время, в результате химического диспергирования наблюдается образование зернистых фракций (от 63/50 мкм до > 1000 мкм) (рис.3.1.5). Образование дисперсной (<50 мкм) и зернистых фракций объясняется механизмом химического диспергирования, рассмотренном ранее.

В этом случае зернистые фракции образуются вследствие протекания зернограничной коррозии диспергируемого алюминиевого сплава, а дисперсная фракция является продуктом взаимодействия раствора щелочи с поверхностью зерен сплава. Доминирование того или иного процесса определяет соотношение этих фракций в осадке.

При этом зернистые фракции представлены, как правило, металлическими частицами с тонкой металлогидроксидной оболочкой.



Рис.3.1.3 Фазовый состав порошка

Таблица 3.1.1

Значения показателя pH среды для осадка - продукта химического диспергирования сплава Al-Si (12%масс.)

Показатель pH среды после n-кратной отмывки осадка путем декантации; n = 0…18
n	0*	1	2	3	4	5	6**	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18***
pH	12,9	12,7	12,6	12,4	12,1	11,9	11,8	11,1	10,8	10,7	10,5	10,4	10,3	10,3	10,3	10,3	10,3	10,3	10,3

* -- значение pH при n = 0 относится к исходному осадку до его отмывки;

** -- после шестикратной декантации при значении pH = 11,8, принятом как среднее значение, производили отбор части осадка для изготовления образцов (при n=6 наблюдалась коагуляция осадка);

*** -- значение pH = 10,3 соответствует максимальной степени отмывки осадка.

Рис. 3.1.4 Распределение массовой доли частиц осадка - продукта химического диспергирования сплава Al-Si (12%масс.), по фракциям в результате мокрого ситового анализа; (числитель - размер ячеек верхнего сита, через которое прошли частицы осадка, знаменатель - размер ячеек нижнего сита, задержавшего частицы осадка).

Рис. 3.1.5 Вид частиц осадка - продукта химического диспергирования сплава Al-Si (12%масс.), распределенного по фракциям методом мокрого ситового анализа (подложка - миллиметровая бумага)

Рис. 3.1.6 Вид высушенного осадка - продукта химического диспергирования сплава Al-Si (12%масс.)

1 - неотмытый осадок (pH = 12,9);

2 - осадок со средним значением pH = 11,8 и при значении pH = 10,3, соответствующим максимальной степени отмывки.

3.2 Технологическая схема спекания

Режим термообработки исходного гидроксида алюминия для образования г и б - модификаций Al₂O₃

Термообработка исходного порошка Al(OH)₃ на воздухе (операция 1) является обязательной технологической операцией в данном процессе. Ее цель - проведение дегидратации гидроксида алюминия и его перевод в г и б - модификации Al₂O₃ (это две основные модификации корунда).

Из экспериментальной практики известно, что переход гидроксида алюминия в г - Al₂O₃ происходит в температурном интервале 290-550°С, а г - Al₂O₃ в высокотемпературную б - модификацию Al₂O₃ - при температуре выше 1200°С. Как правило, после нагрева Al(OH)₃ в температурной области 1200 - 1350°С при определенной изотермической выдержке образуется смесь г и б - модификаций Al₂O₃. Превалирование той или иной модификации корунда в смеси определяется выбранными температурно-временными параметрами термообработки.

Важность такой термообработки обусловлена необходимостью частичного или полного завершения усадочных процессов в объеме порошка (объемная усадка г > б перехода для Al₂O₃ составляет 14,3%). Если усадка в объеме порошка произошла недостаточно, то это может стать причиной разрушения или деформации спеченного изделия, полученного методом прессования. В данном случае, вследствие даже незначительной неравномерности усадки в объеме прессовки, может происходить отрыв локальных областей спекаемого материала с нарушением его сплошности.

В тоже время, использование такого режима термообработки, при котором в исходном порошке полностью завершается г > б переход, является нецелесообразным. Это связано с тем, что тогда активность порошка к спеканию резко снижается, вследствие чего прочность спеченного изделия будет невысока. По-видимому, для получения удовлетворительных показателей механических свойств материала следует стремиться к сохранению оптимальной активности порошка к спеканию и завершению г > б перехода в изделии в процессе окончательного обжига.

Таким образом, в данной части работы необходимо было выбрать режим термообработки порошка Al(OH)₃, обеспечивающий достаточное протекание усадки в его объеме и сохранение его оптимальной активности к спеканию. Нахождение такого компромисса возможно только экспериментальным путем. На данном этапе исследования был выбран режим (рис. 4.2.2) 1350°С и время изотермической выдержки 1 час.

Рис 3.2.1 Режим термообработки порошка гидроксида алюминия: T - температура, ф - время, Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

- выключение печи

Технологический процесс изготовления керамических образцов из осадков - продуктов химического диспергирования данных алюминиевых сплавов, описывается последовательностью технологических операций, приведенных на рис.3.2.2.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3.2.2 Вид и последовательность технологических операций для получения керамики из продуктов химического диспергирования сплава Al-Si (1,5%масс.)

В этой технологии используются известные и общепринятые, как в керамической технологии, так и в порошковой металлургии, процессы и оборудование.

Исключение составляет только первая технологическая операция: для ее реализации потребовалось разработать конструкцию и изготовить реактор для химического диспергирования алюминиевых сплавов, взятых в виде стружки, опилок, кусков как отходов металлообработки.

Такой реактор оснащен системой теплоотвода из реакционного объема. Необходимость этого связана с тем, что реакция химического диспергирования (алюминиевый сплав + водный раствор щелочи) является экзотермической и отсутствие указанной системы будет приводить к закипанию продуктов реакции и их выбросу из емкости. Кроме того, он оборудован системой газоотвода, поскольку реакция химического диспергирования сопровождается интенсивным выделением водорода.

Полученный осадок (в виде суспензии) - продукт вышеуказанной реакции, находится в щелочной среде, поэтому необходима процедура его отмывки от щелочи путем декантации (технологическая операция №2).

Для этого используется емкость из щелочестойкого пластика (рис. 3.2.3), в которую выливают осадок. Затем в эту емкость наливают значительный объем воды (в расчете: 12-15 литров воды на 300-500 г высушенного осадка), далее производят перемешивание и отстаивание осадка в течение 40-60 минут. И наконец, образовавшийся слой жидкости над осадком аккуратно сливают в канализацию, оставляя осадок в емкости. Декантацию проводят многократно до заданного значения рН - среды, которую контролируют при помощи рН - метра, помещая его электроды в суспензию после слива слоя жидкости.

Следует отметить, что начиная с определенного числа декантаций (в условиях эксперимента - после 6-ой декантации) наблюдается коагуляция суспензии и ее быстрое осаждение на дно емкости.



Рис. 3.2.3 Иллюстрация к процессу отмывки осадка методом декантации: 1 - емкость из щелочестойкого пластика; 2 - отмываемый осадок (суспензия) после отстаивания; 3 - сливаемый слой жидкости над осадком

Это может быть объяснено с позиций теории электролитов. Согласно представлениям этой теории вокруг каждой частицы осадка (суспензии) образуется двойной электрический слой (7), который обеспечивает электростатическое отталкивание мицелл (8). Благодаря этому эффекту наблюдается агрегативная устойчивость суспензии: оседания частиц на дно емкости не наблюдается в течение длительного времени.

Рис. 3.2.4 Схематическое изображение структуры отмываемого осадка (суспензии):

1 - частицы осадка; 2 - ионный слой, состоящий из гидроксильных групп OH^-; 3 - противоионный слой, состоящий из ионов Na⁺; 4 - адсорбционный слой; 5 - диффузный слой; 6 - мицелла (ионогенный комплекс); 7 - двойной электрический слой; 8 - электростатическое отталкивание мицелл (область между пунктирной и сплошной линией иллюстрирует смещение мицелл в результате электростатического отталкивания).

В результате последовательных декантаций происходит уменьшение концентрации ионов Na⁺ в диффузном слое (5) вследствие их удаления из суспензии, сила электростатического отталкивания мицелл значительно понижается и, в конечном итоге, диффузный слой перестает выполнять функцию экранирующей прослойки между соседними мицеллами в суспензии. Начиная с этого момента, силы межмолекулярного взаимодействия между дисперсными частицами осадка превалируют над силами электростатического отталкивания, и поэтому наблюдается коагуляция частиц. При этом достигается снижение поверхностной энергии системы.

После завершения отмывки осадка его отделяют от жидкости путем вакуумной фильтрации (технологическая операция №3).

После сушки отмытого осадка на воздухе (технологическая операция №4) получают порошковый продукт, который термообрабатывают на воздухе (технологическая операция №5) с целью синтеза оксидной фазы.

Для приготовления шихты (технологическая операция №6) в порошок вводят временную органическую связку, в качестве которой выбран поливиниловый спирт (ПВС). Использовали 10% водный раствор ПВС. Его количество (% масс, в пересчете на сухой остаток вещества), по отношению к навеске порошка, подбирали экспериментально, добиваясь получения качественных, бездефектных прессовок. В данном эксперименте количество ПВС варьировалось от 9 до 10% масс в зависимости от дисперсности используемого оксидного порошка (для порошка с большей дисперсностью требуется большее количество органической связки для его пластификации).

Прессование образцов (технологическая операция №7) проводили в стальной пресс-форме, применяемое давление прессования - 200 МПа позволяло получать прочный сырец, который не разрушался (например, путем выкрашивания или растрескивания) при последующих технологических действиях.

Выжиг органической связки из отпрессованных образцов проводили на воздухе в сушильном шкафу СНОЛ - 3,5. Для этого образцы устанавливали на огнеупорную керамическую подставку и помещали в сушильный шкаф. Режим удаления связки подобран экспериментально (рис. 3.2.5.). Изотермическая выдержка (1 час) при температуре 200°С обусловлена началом интенсивного газовыделения продуктов сгорания ПВС из объема образцов. Выделяющиеся газы создают давление внутри образцов, поэтому во избежание их разрушения следует прекратить подъем температуры с целью медленного отвода газов. Далее температуру увеличивали до 350°С (изотермическая выдержка 1 час). По завершении изотермической выдержки временная органическая связка считается удаленной из прессовок (так как% потери массы образцов соответствовал исходному процентному содержанию в них ПВС).

Процесс сгорания органической связки рассматривается как взаимодействие кислорода воздуха с углеводородной цепочкой полимера с образованием СО, СО₂ и Н₂О (пар) (химическая реакция в системе «газ - твердое»). В случае неполного удаления связки в сырых образцах может сохраняться углеродный остаток, который приведет к образованию карбидных фаз в спеченном материале. Вследствие этого контроль полноты удаления связки весовым методом является весьма важным. Разумеется, температурно-временные параметры процесса выжига связки потребуют корректировки при изменении давления прессования, конфигурации и объема изделий: при усложнении конфигурации, возрастании объема и давления прессования время изотермической выдержки при температуре 200°С и 350°С следует увеличивать.

Спекание образцов проводили на воздухе в электропечи с хромитлантановыми нагревателями (тип ВТП 06 М 10000). Для этого образцы на огнеупорной подставке переносили в печь, их экранировали от нагревателей корундовыми пластинками во избежание конденсации паров хромитлантана на спекаемых образцах. Режим термообработки (обжига) показан на рис. 3.2.6. Скорость нагрева до максимальной температуры (температура спекания - 1500°С) составляла 300°С/час. Время изотермической выдержки при температуре спекания - 1 час, после ее завершения печь отключали, охлаждение образцов вместе с печью до комнатной температуры происходило в течение суток (24 часа).

Рис. 3.2.5 Режим выжига органической связки (ПВС) из прессовок: T - температура, ф - время, Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

- выключение сушильного шкафа.

Рис. 3.2.6 Режим спекания алюмооксидного материала: T - температура, ф - время, Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

- выключение печи.

Вид полученных образцов из Al-Si порошков



Рис. 3.2.7 Садка образцов на огнеупорных подставках из ZrO₂ для спекания.

1-3 - образцы изготовлены из осадка - продукта химического диспергирования сплава Al-Si (12%масс.): 1 - показатель pH осадка -- 12,9 (исходный неотмытый осадок); 2 - показатель - pH осадка -- 11,8 (после 6-и кратной декантации); 3 - показатель - pH осадка -- 10,3 (после 18-и кратной декантации).

3.3 Изучение свойств керамических образцов (плотность, пористость, усадка).

В данной работе изучали свойства спеченных керамических образцов: плотность, пористость (общую, открытую и закрытую), относительную линейную и объемную усадку.

3.3.1 Свойства керамических образцов, изготовленных из продукта химического диспергирования алюминиевого сплава Al-Si (12%масс.)

Минимальные значения плотности и усадки, при максимальной пористости (открытой, закрытой, общей) характерны материалу типа 1 (табл.3.3.1.1).

По-видимому, это связано с синтезом алюминатов натрия (вследствие избытка ионов Na⁺ в исходном осадке), образование которых происходит с увеличением объема. В результате может наблюдаться разрыхление структуры спекаемых образцов.

Для материалов типа 2 и 3 (из отмытых осадков) имеет место значительное повышение плотности и усадки, по сравнению с материалом типа 1. Для них характерна значительная доля закрытой пористости, образование которой связано с зональным уплотнением высокодисперсной порошковой системы при жидкофазном механизме спекания (в качестве жидкой фазы выступает расплав нефелина).

Примечательно, что увеличение степени отмывки осадка (материал типа 3, по сравнению с материалом типа 2) приводит к повышению плотности при некотором снижении пористости (открытой, закрытой и общей) и относительной усадки.

Можно предположить, что в этом случае происходит уменьшение толщины прослойки нефелина между зернами б-Al₂O₃ и образование межзеренных контактов - 4 (рис.3.4.1.1.). Тогда реализуется наиболее плотная укладка зерен б-Al₂O₃ и снижение пути зернограничного проскальзывания при появлении жидкой фазы в спекаемом материале.

Таблица 3.3.1.1

Свойства керамических образцов, изготовленных из продуктов химического диспергирования сплава Al-Si (12%масс.)

Тип материала образцов*	Плотность с, г/см3	Открытая пористостьПотк.,%	Закрытая пористостьПз.,%	Общая пористость Поб.,%	Относительная линейная усадка, %	Относительная объемная усадка, %
1	1,67	22,9	35,1	58,0	2,2	6,2
2	2,76	1,8	29,2	31,0	18,6	45,0
3	2,92	0,7	26,3	27,0	16,4	40,0

* -- тип 1 - материал получен из исходного осадка при максимальном значении pH = 12,9;

тип 2 - материал получен из осадка при среднем значении pH = 11,8;

тип 3 - материал получен из осадка при минимальном значении pH = 10,3

3.4 Изучение механических свойств керамических образцов (прочность, трещиностойкость, ударный изгиб).

Механические свойства керамических образцов изучали путем испытания призматических образцов (8х8х50 мм). Испытания проводили на машине Tiratest 2300 (рис. 3.4.1, 3.4.2) и на маятниковом копре (рис. 3.4.3).

За показатель свойства принимали среднее арифметическое значение результатов испытаний 6 - и образцов.

Для изучения трещиностойкости по параметру К_1с (критический коэффициент интенсивности напряжений) в испытуемом образце создавали надрез при помощи алмазного круга толщиной 100 мкм (радиус кривизны вершины надреза составлял 50 мкм) на половину высоты образца.

Предел прочности при изгибе и трещиностойкость определяли путем приложения к середине образца сосредоточенной нагрузки (3-х точечный изгиб) при скорости перемещения траверсы нагружающего устройства - 1 мм/мин.

Прочность при ударном изгибе характеризуется работой, совершаемой ножом маятникового копра, для разрушения призматического образца.

3.4.1 Механические свойства керамических образцов, изготовленных из продукта химического диспергирования алюминиевого сплава Al-Si (12%масс.)

Из полученных результатов (табл.3.4.1.1.) видно, что материал типа 1 имеет крайне низкие показатели механических свойств, что связано, вероятно, как обсуждалось ранее (см. раздел 3.3), с разрыхлением его структуры вследствие синтеза значительного количества алюминатов натрия.



Рис. 3.4.1 Испытание призматического образца на изгиб сосредоточенной нагрузкой на машине Tiratest 2300

Рис. 3.4.2 Испытание призматического образца с надрезом на изгиб сосредоточенной нагрузкой на машине Tiratest 2300

Рис. 3.4.3 Испытание призматического образца на ударный изгиб с использованием маятникового копра

Следует отметить, что образцы из материала типа 1 легко разрушались руками.

Для материалов типа 2 и 3 характерен достаточно высокий уровень прочности (95 МПа и 125 МПа) с учетом их значительной общей пористости - 27-31% (для сравнения: у_изг высокоплотной алюмооксидной керамики промышленного производства составляет 200-300 МПа).

В тоже время, для них отмечается большое значение параметра трещиностойкости - К_1с (2,0 МПа м^1/2 и 3,0 МПа м^1/2). Эти показатели сопоставимы с трещиностойкостью высокоплотной, мелкокристаллической алюмооксидной керамики, спеченной из порошков промышленного производства.

Достаточно высокие значения у_изг и К_1с материалов типа 2 и 3 можно объяснить частичной релаксацией напряжений на нефелиновых прослойках (рис. 19 а, б) между зернами б-Al₂O₃ в процессе нагружения.

Видно также, что увеличение степени отмывки исходного осадка приводит к повышению показателей механических свойств (материал типа 3 превосходит материал типа 2).

Это, вероятно, достигается за счет некоторого уменьшения количества нефелиновой фазы, которая располагается в областях тройных стыков зерен б-Al₂O₃, образуя дискретные прослойки между ними (рис. 3.4.1.1.). При этом между зернами б-Al₂O₃ формируются контакты (4), через которые реализуется прочное диффузионное сращивание в процессе спекания.

Таблица 3.4.1.1

Механические свойства керамических образцов, изготовленных из продукта химического диспергирования сплава Al-Si (12% масс.)

Тип материала образцов*	Предел прочности при изгибе, уизг., МПа	Трещиностойкость,KIc, МПа мЅ	Ударный изгиб, aн, Дж/м2
1	5	0,2	1·103
2	95	2,0	1,6·103
3	125	3,0	2,5·103

* -- тип 1 - материал получен из исходного осадка при максимальном значении pH = 12,9; тип 2 - материал получен из осадка при среднем значении pH = 11,8; тип 3 - материал получен из осадка при минимальном значении pH = 10,3



Рис. 3.4.1.1 Схематическое представление структуры спеченного материала, изготовленного из продукта химического диспергирования алюминиевого сплава Al-Si (12%масс.)

А - структура материала типа 2; Б - структура материала типа 3. 1 - зерна б-Al₂O₃; 2 - прослойки нефелина между зернами б-Al₂O₃(А - непрерывные, Б - дискретные); 3 - внутризеренные закрытые поры; 4 - межзеренные контакты.

диспергированный алюминиевый щелочь керамический



РАЗДЕЛ 4. БЕЗОПАСНОСТЬ И ЭКОЛОГИЧНОСТЬ ПРОЕКТА

4.1 Введение

Современное производство является исключительно высокоэлектровооруженным. Практически во всех видах оборудования и технических системах применяются электротехнические машины и устройства. Собственно электроустановки, источники электричества, преобразователи и проводящие системы (электросети, освещение) имеются во всех производственных, а также бытовых и иных системах.

Поэтому обеспечение безопасных условий труда при использовании электрического тока, статического электричества, а значит, электротехнического оборудования и инструмента имеет исключительно большое значение.

4.2 Воздействие на человека электрического тока

Действие электрического тока на живую ткань носит разносторонний и своеобразный характер. Проходя через тело человека, электроток производит термическое, электролитическое, механическое и биологическое действие. Термическое действие тока проявляется ожогами отдельных участков тела, нагревом для высокой температуры органов, расположенных на пути тока, вызывая в них значительные функциональные расстройства.

Электролитическое действие тока выражается в разложении различных жидкостей организма (крови, лимфы и др.) на ионы и нарушении их физико-химического состава и свойств.

Механическое действие тока приводит к расслоению, разрыву тканей организма в результате электродинамического эффекта, а также мгновенного взрывоподобного образования пара из тканевой жидкости и крови.

Биологическое действие тока проявляется раздражением и возбуждением живых тканей организма, судорожным сокращении мышц, а также нарушением внутренних биологических процессов.

Электротравмы условно делятся на местные и общие. К общим относят электрический удар, при котором происходит возбуждение живых тканей проходящим через человека электрическим током, сопровождающееся судорожными сокращениями мышц. В зависимости от исхода воздействия тока различают четыре степени электрических ударов:

ѕ судорожное сокращение мышц без потери сознания;

ѕ судорожное сокращение мышц с потерей сознания, но с сохранившимися дыханием и работой сердца;

ѕ потеря сознания и нарушение сердечной деятельности или дыхания (или того и другого вместе);

ѕ клиническая смерть, т.е. отсутствие дыхания и кровообращения.

Кроме остановки сердца и прекращения дыхания, причиной смерти может быть электрический шок - тяжелая нервно-рефлекторная реакция организма на сильное раздражение электрическим током. Шоковое состояние длится от нескольких десятков минут до суток, после чего может наступить гибель или выздоровление в результате интенсивных лечебных мероприятий.

Остановка сердца связана с фибрилляцией: хаотическим сокращением отдельных волокон сердечной мышцы (фибрилл). К местным травмам относят ожоги, металлизацию кожи, механические повреждения, электрические знаки, электроофтальмию. Металлизация кожи связана с проникновением в нее мельчайших частиц металла при его расплавлении под влиянием, чаще всего, электрической дуга. Электрические знаки возникают на коже. Это уплотненные участки серого или бледно-желтого цвета, они безболезненны и быстро проходят. Электроофтальмия - воспаление наружных слизистых оболочек глаз вследствие мощного ультрафиолетового излучения электрической дуги. Возможно повреждение роговой оболочки, что особенно опасно.

Исход поражения человека электротоком зависит от многих факторов: силы тока, времени прохождения его через организм, характеристики тока (переменный или постоянный), схема включения: однофазная или двухфазная, электрическое сопротивление тела человека, пути тока в теле человека, при переменном токе от частоты колебаний, от наличия в помещении токопроводящих пола и пыли, повышенной влажности и температуры и др.

Сила тока, проходящего через тело человека, зависит от напряжения прикосновения, под которым оказался пострадавший, и суммарного электрического сопротивления, в которое входит сопротивление тела человека. Величина последнего определяется, в основном, сопротивлением рогового слоя кожи и составляет (при сухой коже и отсутствии повреждений), сотни тысяч Ом. Если эти условия состояния кожи не выполняются, то ее сопротивление падает до 1 кОм. При высоком напряжении и значительном времени протекания тока через тело сопротивление кожи падает еще быстрее и способствует более тяжелым последствиям поражения током. Внутреннее сопротивление тела человека не превышает нескольких сот Ом и существенной роли не играет.

На сопротивление организма воздействию электрического тока оказывает влияние физическое и психическое состояние человека. Нездоровье, утомление, голод, опьянение, эмоциональное возбуждение приводят к снижению сопротивления.

Характер воздействия тока на человека зависит от силы и рода тока. Для переменного тока частотой 50 Гц, напряжением 220 В и пути тока «рука - нога» сила тока 0,6-1,5 мА является ощутимой, появляется легкое дрожание пальцев. При силе тока 2,0-2,5 мА возникают болевые ощущения, а при 5,0-7,0 мА судороги в руках. 20,0-25,0 мА - это неотпускающий ток, человек не может самостоятельно оторвать руки от электродов, наблюдаются сильные боли и судороги, затрудненное дыхание, а при 50,0-80,0 мА происходит паралич дыхания; при 90,0-100,0 мА наступает фибрилляция сердца при действии тока в течение 2-3 с и паралич дыхания.

Допустимым следует считать ток, при котором человек может самостоятельно освободиться от электрической цепи. Его величина зависит от скорости прохождения тока через тело человека: при длительности действия более 10 с 2 мА, а при 10 с и менее 6 мА.

Переменный ток более опасен, чем постоянный, однако при высоком напряжении (более 500 В) опаснее становится постоянный ток. Из всех возможных путей протекания тока через тело человека (голова - рука, голова - нога, рука - рука, нога - рука, нога - нога и т.д.) наиболее опасен тот, при котором поражается головной мозг, сердце и легкие. Неблагоприятный микроклимат (повышенная температура и влажность, недостаточная подвижность воздуха) увеличивает опасность поражения током, так как влага (пот) понижает сопротивление кожных покровов.

ГОСТ 12.1.038-82* устанавливает предельно допустимые напряжения прикосновения и токи, протекающие через тело человека (рука - рука, рука - нога) при нормальном (неаварийном) режиме работы электроустановок производственного и бытового назначения постоянного и переменного тока частотой 50 и 400 Гц. Для переменного тока 50 Гц допустимое значение напряжения прикосновения составляет 2 В, а силы тока 0,3 мА, для тока частотой 400 Гц соответственно 2 В и 0,4 мА; для постоянного тока 8 В и 1,0 мА (эти данные приведены для продолжительности воздействия не более 10 мин в сутки).

4.3 Электробезопасность производственных систем

Под электробезопасностью следует понимать комплекс организационных, технических, медицинских и правовых (нормативных) мероприятий.

В их числе:

ѕ вытекающие из современного представления об электрическом токе, статическом электричестве и электрической дуге;

ѕ основанные на анализе механизма воздействия электрического тока на человека, электротравматизма и аварий электрооборудования;

ѕ направленные на повышение надежности конкретных единиц электрооборудования, электроинструмента и электрических сетей;

ѕ исключающие возможности несчастного случая в результате поражения электротоком или статическим электричеством.

Эксплуатация действующих электроустановок на предприятиях производится согласно Правилам эксплуатации электроустановок потребителей (ПЭЭП), Межотраслевыми Правилам охраны труда (ПОТ-М) при эксплуатации электроустановок, соответствующих ГОСТов ССБТ (ГОСТ 12.3.003-86*, ГОСТ 12.3.019-80*, 12.3.032-84*), инструкциям по технике безопасности, должностным и производственным инструкциям для персонала, обслуживающего электротехническое оборудование и установки.

Основными мерами обеспечения электробезопасности являются:

ѕ недоступность токоведующих частей;

ѕ ограждения доступных токоведующих частей;

ѕ электрическое разделение сети с помощью разделительных трансформаторов;

ѕ применение усиленной и двойной (рабочей и дополнительной) изоляции в сетях и потребителях тока;

ѕ защитное заземление;

ѕ зануление;

ѕ устройство защитного отключения;

ѕ выравнивание потенциалов;

ѕ устройство блокировок;

ѕ применение малого напряжения 42--12В;

ѕ применение специальных электрозащитных средств, включая средства индивидуальной защиты, инструментов с изолированными рукоятками и др.;

ѕ регулярное проведение проверок и испытаний, технических осмотров и ремонтов персонала;

ѕ установка знаков безопасности, предупредительных плакатов и надписей.

ѕ Согласно «Правилам устройства электроустановок» определены следующие определения и меры электробезопасности.

ѕ Безопасность обслуживающего персонала и посторонних лиц должна обеспечиваться путем:

ѕ применения надлежащей изоляции, а в отдельных случаях повышенной;

ѕ применения двойной изоляции;

ѕ соблюдения соответствующих расстояний до токоведущих частей или путем закрытия, ограждения токоведущих частей;

ѕ применения блокировки аппаратов и ограждающих устройств для предотвращения ошибочных операций и доступа к токоведущим частям;

ѕ надежного и быстродействующего автоматического отключения частей электрооборудования, случайно оказавшихся под напряжением, и поврежденных участков сети, в том числе защитного отключения;

ѕ заземления или зануления корпусов электрооборудования и элементов электроустановок, которые могут оказаться под напряжением вследствие повреждения изоляции;

ѕ выравнивания потенциалов;

ѕ применения разделительных трансформаторов;

ѕ применения напряжений 42 В и ниже переменного тока частотой 50 Гц и 110 В и ниже постоянного тока;

ѕ применения предупреждающей сигнализации, надписей и плакатов;

ѕ применения устройств, снижающих напряженность электрических полей;

ѕ использования средств защиты и приспособлений, в том числе для защиты от воздействия электрического поля в электроустановках, в которых его напряженность превышает допустимые нормы.

Электроустановка - это совокупность машин, аппаратов, линий и вспомогательного оборудования (вместе с сооружениями и помещениями, в которых они установлены), предназначенных для производства, преобразования, трансформации, передачи, распределения электрической энергии и преобразования ее в другой вид энергии.

Электроустановки по условиям электробезопасности разделяются Правилами на электроустановки до 1 кВ и электроустановки выше 1 кВ (по действующему значению напряжения).

Открытыми или наружными электроустановками называются электроустановки, не защищенные зданием от атмосферных воздействий.

Электроустановки, защищенные только навесами, сетчатыми ограждениями и т.п., рассматриваются как наружные.

Закрытыми и внутренними электроустановками называются электроустановки, размещенные внутри здания, защищающего их от атмосферных воздействий.

4.4 Защитное заземление

Назначение защитного заземления - предупреждение поражения электрическим током в случае прикосновения к токопроводящим нетоковедущим частям установок и машин при замыкании на них токоведущих частей или другой аварийной ситуации. Электробезопасность обеспечивается использованием природного явления оттекания электротока в землю, что достигается приложением системы заземляющего устройства, состоящего из заземлителей и заземляющих проводников. Заземлители могут быть естественными и искусственными. В качестве естественных заземлителей принимаются любые, имеющие металлическую (токопроводящую) достаточную поверхность постоянного соединения с землей, при этом использование данного элемента не должно вызывать нарушения его обычных функций и работы. К ним относятся различные металлические трубопроводы (но не содержащие взрыво- и пожароопасных газов и жидкостей), строительные конструкции зданий и сооружений, в первую очередь железобетонные фундаменты, емкости, в некоторых случаях даже металлические оболочки кабелей и т.д.

Искусственные заземлители подготавливаются специально и закладываются в землю исключительно с целью обеспечения заземления. Это могут быть стальные трубы, пластины, уголки, стержни и т.д. Заземлитель устанавливается так, чтобы 100-200 мм его выступало над поверхностью земли, эта часть соединяется заземляющим проводником с оборудованием.

Защитное заземление применяют в сетях напряжением до 1 ООО В с изолированной нейтралью и в сетях напряжением свыше 1000 В как с изолированной, так и с заземленной нейтралью.

Таблица 4.4.1

Рекомендуемые значения сопротивления заземлителя (R3) защитного заземления до и выше 1 кВ, установленные ПУЭ

Значения R3, Ом	Характеристика электроустановок
R3 ?0,5 Ом	Электроустановки U > 1 кВ в сетях с эффективно заземленной нейтралью
R3 ? 250 /I3, но не более 10 Ом	Электроустановки U > 1 кВ в сетях с изолированной нейтралью
R3 ? Uпр/I3. Как правило, 4 Ом ? R3?10 Ом	Электроустановки U < 1 кВ в сетях с изолированной нейтралью (мощность генератора или трансформатора < 100 кВ А)

Примечание: R₃ - сопротивление заземляющего устройства;

I₃ - ток замыкания на землю;

U_пр - напряжение прикосновения, принимается равным 50 В.



Рис. 4.4.1 Схема защитного заземления в однофазной двухпроводной сети

На рисунке 4.4.1 показана схема защитного заземления в однофазной двухпроводной сети, схема однофазного замыкания на заземленный корпус двигателя в сети с изолированной нейтралью трансформатора дана на рис. 4.4.1. Заземлитель является основным элементом всего заземляющего устройства, качество которого определяется значением сопротивления заземления и изменением напряжения относительно земли. Сопротивление заземления заземлителя есть сопротивление между заземлителем у места соприкосновения с фунтом и собственно землей, под которой надо понимать поверхность грунта вблизи заземлителя, потенциал которой равен нулю. Полным напряжением относительно земли понимают напряжения, возникающие в цепи тока размыкания на землю между заземлителем и землей (зона нулевого потенциала).

Рис. 4.4.2 Схема однофазного замыкания на заземленный корпус в сети с изолированной нейтралью трансформатора

При токе замыкания I₃ и сопротивлении заземления R₃(см. рис. 4.4.1.) напряжение на корпусе относительно земли равно

Um = I₃*R₃.(4.4.1)

Так как сопротивление заземления небольшое, то величина напряжения будет намного меньше, чем при отсутствии заземления. Ток замыкания в случае исправности изоляции фаз А и В (см. рис. 4.4.2.) будет небольшим, и напряжение прикосновения не превысит допустимых пределов:

Uпр=бI_зR_з(4.4.2)

где а < 1 - коэффициент напряжения прикосновения, показывающий, какая часть потенциала заземлителя приходится на тело человека.

В случае повреждения изоляции токоведущая часть электрически соединяется с незаземленным токопроводящим элементом оборудования. При прикосновении человека к такому элементу он оказывается под напряжением прикосновения, величина которого равна фазному или близка к нему. Сущность защиты с помощью устройства защитного заземления заключается в создании такого сопротивления, которое было бы достаточно малым для того, чтобы падение напряжения на заземлении (а оно и является поражающим) не достигало значения, опасного для человека. В поврежденной цепи необходимо обеспечить такое значение тока, которое было бы достаточным для надежного срабатывания защитных устройств, установленных на источнике питания. Применяются два основных типа заземления: выносное (рис. 4.4.3) и контурное (рис. 4.4.4).

Выносное заземление характеризуется размещением заземлителей за пределами площадки, на которой размещено заземляемое оборудование, что позволяет выбрать место- размещение электродов, в том числе с наименьшим сопротивлением (влажные, глинистые почвы, низины и т.д.).



Рис. 4.4.3 Схема выносного заземления

Рис.4.4.4 Схемаконтурного заземления

Однако отдаленность заземлителей от оборудования может привести к тому, что на всей площадке коэффициент прикосновения будет равен единице, т.е. возможно возникновение опасного напряжения прикосновения и напряжение шага. Выносное заземление применяют при малых значениях тока замыкания на земле, например в установках с напряжением до 1000 В.

При размещении заземлителей по контуру площадки внутри нее заземление называется контурным. В этом случае напряжения прикосновения и напряжения шага имеют в пределах площадки небольшие величины по сравнению с потенциалом заземления и не представляют реальной опасности.

Для снижения напряжения шага за пределами контура заземления в землю закладываются горизонтальные электроды, как правило в виде стальных полос, соединенных с вертикальными электродами. Этим достигается более равномерное распределение потенциалов, что особенно важно при использовании электроустановок с большими токами замыкания на землю. Сопротивление заземляющего устройства включает эквивалентное сопротивление вертикальных и горизонтальных электродов относительно земли и сопротивления заземляющих проводников, а также сопротивление грунта.

Расчет защитного заземления проводится из условия допустимых напряжения прикосновения и напряжения шага в аварийных режимах электроустановок. Определяются основные параметры заземляющего устройства: размеры, число и схема размещения заземлителей, сечение и длина заземляющих проводников. Исходными данным для этих расчетов являются:

ѕ тип электроустановки;

ѕ рабочее напряжение;

ѕ режим нейтрали;

ѕ схема размещения электрооборудования;

ѕ электропроводность грунта;

ѕ климат (в первую очередь влажность, осадки и температуры);

ѕ материал и его свойства;

ѕ размеры естественных и искусственных заземлителей и выбранная глубина их закладки;

ѕ расчетный ток замыкания на землю.

В качестве расчетного тока принимается:

в сетях без компенсации емкостных токов - полный ток замыкания на землю;

в сетях с компенсацией емкостных токов:

а) ток, равный 1,25 номинального тока компенсирующих аппаратов, подсоединенных к заземляющим устройствам;

б) остаточный ток замыкания на землю, проходящий в данной сети при отключении наиболее мощного из компенсирующих аппаратов или наиболее разветвленного участка сети.

Кроме того, в качестве расчетного тока может быть принят ток плавного предохранителя или ток срабатывания релейной защиты от однофазных замыканий и междуфазных замыканий, если защита обеспечивает отключение замыканий на землю. При этом ток замыкания на землю должен быть равен 1,5-кратной величине тока срабатывания релейной защиты или 3-кратной величине номинального тока плавного предохранителя.

Если применяется заземление для установки, имеющей естественные заземлители, то сопротивление искусственного заземлителя Ru равно

где Re - сопротивление естественных заземлителей; R3 - сопротивление заземляющего устройства.

4.5 Расчёт параметров защитного заземления лабораторной установки

Защитное заземление - преднамеренное электрическое соединение с землей или ее эквивалентом металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением вследствие замыкания на корпус и по другим причинам (индуктивное влияние соседних токоведущих частей, вынос потенциала, разряд молнии и т. п.). Защитное заземление представляет собой преднамеренное электрическое соединение с землей или ее эквивалентом токопроводящих нетоковедущих частей, которые могут оказаться пол напряжением. Назначение защитного заземления - устранение опасности поражения током в случае прикосновения к корпусу электроустановки и другим нетоковедущим металлическим частям, оказавшимся под напряжением вследствие замыкания на корпус и по другим причинам.

Электробезoпасность oбеспечивается испoльзованием прирoдного явления отeкания электрoтока в землю, что дoстигается полoжением системы зазeмляющего устрoйства, состoящего из заземлителей и зaземляющих провoдников (рис. 4.5.1).

Зaщитное зaземление элeктроустановок дoлжно выпoлняться во всeх случaях при нaпряжении 500 В и вышe, при нaпряжении вышe 36 В перeменного и 110 В пoстоянного в пoмещениях с пoвышенной опaсностью.

Зaземление дoлжно имeть мaлое сoпротивление, нe превышaющее дoпустимых вeличин. Нoрмативы на сoпротивление зaземления опредeляются ПУЭ в зaвисимости от нaпряжения и мoщности электрoустановки.

В элeктроустановках нaпряжением до 1000 В сoпротивление зазeмления (RЗ) дoлжно быть не мeнее 4 Ом. Eсли суммaрная мoщность истoчников, подключeнных к сети, не прeвышает 100 КВт, тo дoпускается увeличение RЗ до 10 Ом.