- •Оглавление
- •Глава 1 пористые проницаемые материалы для капиллярного транспорта
- •Тепловые трубы с аксиальными канавками, актуальные направления повышения характеристик
- •Способы получения капиллярно-пористых наноструктурных материалов
- •Пористые проницаемые композиты, получаемые методом гидратационного твердения дисперсного алюминия
- •Выводы к главе 1
- •Глава 2 особенности формирования структуры и свойств капиллярно-пористой наноструктурной керамики в процессе гидратационного твердения дисперсного алюминия
- •2.1 Выбор исходного материала для получения наноструктурной керамики
- •2.1.1 Расчет степени превращения дисперсного алюминия при твердении
- •2.1.2 Свойства пигментной алюминиевой пудры пап-2
- •2.1.3 Методики экспериментальных исследований, приборы и оборудование
- •2.2 Исследование структуры и свойств наноструктурной керамики
- •2.2.1 Стереологический анализ элементов структуры
- •2.2.2 Основные структурные и гидравлические свойства наноструктурной керамики
- •2.2.3 Адсорбционно-структурные свойства наноструктурной керамики
- •2.2.4 Результаты термоаналитических исследований наноструктурной керамики
- •2.3 Влияние термической обработки на свойства наноструктурной керамики
- •2.3.1 Прочность и пористость наноструктурной керамики, размер и форма структурообразующих элементов
- •2.4 Влияние процессов направленной кристаллизации и оствальдова созревания на структуру и свойства нск
- •2.4.1 Эволюция морфологии наночастиц бемита в процессе направленной кристаллизации
- •2.4.2 Влияние морфологии наночастиц бемита на адсорбционно-структурные свойства наноструктурной керамики
- •2.4.3 Оствальдово созревание наноструктурной керамики
- •Выводы к главе 2
Глава 2 особенности формирования структуры и свойств капиллярно-пористой наноструктурной керамики в процессе гидратационного твердения дисперсного алюминия
2.1 Выбор исходного материала для получения наноструктурной керамики
Пористый композит AlОOH/Al по определению содержит остаточный алюминий в виде изолированных частиц, заключенных в пористую оболочку из агломерата наночастиц бемита. Обеспечить полное превращение алюминия в оксид можно в процессе циклической термообработки [75], требующей энергетических и временных затрат, что делает нецелесообразным использование данного метода в реальном технологическом процессе. Кроме того, в процессе циклической обработки кардинально меняется пористая структура материала вследствие полного исчезновения транспортных пор. В то же время, полное превращение алюминия позволяет сформировать НСК с большим объемом нанопор и высокой удельной поверхностью.
2.1.1 Расчет степени превращения дисперсного алюминия при твердении
В основе процесса гидратационного твердения дисперсного алюминия и формирования пористого композита AlOОH/Al лежит гетерогенная химическая реакция гидратации дисперсного алюминия:
2Al + 4H2O 2AlОOH + 3H2↑ (2.1)
при которой из 1 моль Al образуется 1 моль AlОOH, т.е. из 1 г алюминия получается 2,22 г гидроксида алюминия и
(2.2)
Степень превращения (гидратации) алюминия:
(2.3)
где − текущая масса гидроксида (посколькуто;
−текущая масса алюминия;
−исходная масса алюминия;
−конечная масса гидроксида (при полном превращении исходного алюминия) или, учитывая соотношение (2.2)
(2.4)
Впроцессе растворения исходной сферической частицы алюминия 1 ее радиусr уменьшается до r1 на величину 1 (рисунок 2.1, [76]), а на поверхности частицы формируется пористый слой гидроксида алюминия 2 толщиной вследствие молекулярной диффузии растворенного вещества через пористый слой 2 и последующей массовой кристаллизации из раствора. Изменение массы алюминия и гидроксида можно выразить через соответствующие толщины, полагая, что r и r1 отличаются незначительно:
(2.5)
(2.6)
Учитывая соотношение (2.2), получим выражения, связывающие δ и δ1:
(2.7)
и
где иг − относительная и пикнометрическая плотность гидроксида, соответственно.
Поскольку
(2.8)
то
(2.9)
или
(2.10)
Подставляя в (2.10) известные константы (плотность алюминия 2,7·103 кг/м3, пикнометрическая и относительная плотность бемита = 3,1·103 кг/м3 и [77]).
И
Рисунок 2.2
– График кинетической
зависимости
толщины слоя
гидроксида алюминия
Полагая, что время твердения 2 ч является приемлемым в реальном технологическом процессе, рассчитаем зависимость степени превращения от радиуса частицы (таблица 2.1).
Т
Таблица
2.1 − Зависимость
степени превращения
алюминия от радиуса
частицы
2r,.мкм
100
50
30
10
3,5
α
0,014
0,028
0,047
0,142
0,41
Для обеспечения полного превращения алюминия в гидроксид необходимо, чтобы характерный размер частиц был соизмерим с толщиной растворяющегося алюминия в процессе твердения. Такие частицы содержат пигментные алюминиевые пудры. На рисунке 2.3 приведена схема растворения исходной пластинчатой частицы алюминиевой пудры толщиной b и площадью поверхности S с одновременным формированием на поверхности растворяющейся частицы пористого слоя гидроксида алюминия – бемита. Растворение исходной частицы сопровождается уменьшением ее толщины на δ1, одновременно образуется слой бемита толщиной δ (уменьшением площади S вследствие растворения торцов частицы пренебрегаем). Баланс масс при химическом превращении определяется уравнением (2.2). Предлагаемая модель твердения предполагает также, что поровая структура, состоящая из наночастиц бемита, однородна и характеризуется тремя параметрами – относительной и пикнометрической плотностью и удельной поверхностью Sw. В процессе твердения масса растущего слоя бемита увеличивается на:
(2.12)
где иг − относительная и пикнометрическая плотность гидроксида, соответственно. Одновременно масса алюминия уменьшается на:
(2.13)
Используя соотношение масс гидроксида и алюминия, получим выражение, связывающее текущие толщины исходного и образующегося твердых веществ:
(2.14)
Степень превращения алюминия при твердении пудры согласно соотношению (2.4) имеет вид:
(2.15)
Подставляя в (2.16) известные константы, получим:
(2.16)
Поскольку, согласно (2.14) , то:
(2.17)
Полагая, что b=0,15 мкм, кинетика роста слоя бемита та же, что и на сферических частицах (рисунок 2.1), и учитывая, что , то через 1,5…2 ч гидратационного твердения происходит полное превращение алюминия в гидроксид.