их расположению. Однако экструзией возможно получать подложки относительно сложной, например трубчатой формы, что нельзя сделать обычным одноосным прессованием [38].

1.5.Выводы

•композиционные керамические мембраны позволяют получать высокие эксплуатационные свойства;

•в качестве основного материала для подложки следует использовать электроплавленный корунд размером от 5 до 20 мкм;

•для снижения температуры спекания следует добавлять в шихту тонкомолотую огнеупорную глину;

•добавки приводят к уменьшению прочности, поэтому их использование не желательно;

•в качестве метода формования следует использовать прессование, поскольку это более простой метод формования, в ходе которого возникает меньше дефектов.

27

2. Экспериментальная часть 2.1. Цели работы

На настоящее время для производства подложек необходимы относительно высокие температуры обжига (1400 - 1600 °C) и/или дорогостоящее сырьё [30 - 33], что не вписывается в общую тенденцию энерго- и ресурсосбережения.

Получение подложек для мембран, обладающих высокими значениями прочности, открытой, преимущественно канальной, пористости, допускающих нанесение покрытия из оксидов меди, кобальта, цинка и железа.

Получение подложек с высокими значениями прочности на изгиб может быть возможно за счет применения в качестве основного материала электроплавленного корунда.

Регулирование поровой структуры возможно изменением давления прессования, температуры обжига либо составом шихты

2.2. Обоснование выбора состава и технологических параметров производства подложек

Высокие требования к мембранам не всегда оставляют возможность для использования симметричных мембран (однородных по структуре), часто необходимо выполнять подложку и фильтрующий слой из различных материалов, то есть получать композиционные мембраны.

Выбор корунда в качестве материала для мембран основан на ряде его уникальных свойств: высокие механические свойства, коррозионная стойкость и другие. Проницаемая пористость керамических материалов в зависимости от методов изготовления может составлять от 50 до 95 %. По сравнению с другими материалами корундовая керамика имеет повышенную химическую и термическую стойкость [1]. Размер частиц корунда при этом должен быть 8 — 10 мкм, поскольку образцы из более мелкозернистого порошка имеют пониженную пористость и газопроницаемость, а из более крупного, низкие значения прочности и повышенные размеры пор [34]. Основываясь на данных анализа литературы в нашей работе для получения подложек был использован близкий к требованиям размера частиц —

28

порошок электроплавленного корунда F600 (средний размер частиц 9,3 мкм). Однако мембраны, без связующего [28] имеют относительно высокую

себестоимость, из-за высоких температур обжига. Для снижения температуры спекания в исходный порошок для формования заготовок, необходимо ввести компоненты, образующие в обжиге расплав и переводящие более энергетически затратный процесс твердофазового спекания к менее затратному — жидкофазному механизму. По данным [39] количество связующего компонента действительно должно составлять около 20 масс. %. Использование составов с количеством связующего менее 15 масс. % не позволяет при спекании реализовать все необходимые процессы, что приводит к неоднородности поровой структуры, что в дальнейшем, не позволит использовать данный образец в качестве подложки для мембран. При превышении 25 масс. % в образце появляется избыточное количество стеклофазы, снижающей коррозионную стойкость и, зачастую, прочность. Для уточнения концентрации в данной работе испытывались подложки составов 15, 20 и 25 масс. %.

Вкачестве метода формования было выбрано одноосное, двустороннее прессование, поскольку в отличии от экструзии, оно является более простым и дешёвым способом формования. Кроме того, при пластичном формовании в материале образуются продольные канавки, являющиеся нежелательным структурным явлением [38]. В работах [28, 32, 36] давление прессования схожих систем принимали в интервале 10 - 30 МПа, что объясняется тем, что при использовании давления прессования более 30 МПа возрастает риск появления перепрессовочных трещин. При низком давлении прессования (менее 10 МПа) образцы не имеют достаточной прочности. Поэтому в данной работе было решено использовать давления прессования от 10 до 30 МПа с шагом 10 МПа

Вработах [36, 38, 39] температура обжига для схожих материалов варьировалась в интервале 1100 - 1300 °C. Использование температуры обжига ниже 1100 °C недостаточно для полного протекания процессов спекания, что приводит к

низким значениям прочности. Обжиг при температурах выше 1300 °C не

29

соответствует принципам энергосбережения, кроме того повышенные температуры обжига могут способствовать появлению избыточного количества стеклофазы, ухудшающей поровую структуру и снижающей прочность. Поэтому в нашей работе прессовки обжигали при трёх различных температурах: 1100, 1200 и 1300 °C.

2.3. Методики испытаний 2.3.1. Определения средней плотности и открытой пористости по ГОСТ 2409-

95 (ИСО 5017-88)

Испытание проходит в несколько этапов [40]: 1. Подготовка образцов

Образец сушат при температуре 110 - 135 °C до постоянной массы.

Массу считают постоянной, если результат последующего взвешивания, проведенного не менее чем через 2 ч сушки, отличается от предыдущего не более чем на 0,1 %. Допускается проводить сушку образцов в течение 1 ч с последующим взвешиванием, если результаты взвешивания отличаются не более чем на 0,1 %.

Образец не сушат, если его отбирают от изделия непосредственно после обжига.

Перед каждым взвешиванием образец охлаждают в эксикаторе до комнатной температуры. Допускается негидратирующиеся образцы охлаждать на воздухе.

Образец взвешивают с абсолютной погрешностью ± 0,01 г, все операции взвешивания образцов объемом 50 см3 и более проводят с абсолютной погрешностью не более ± 0,1 г, образцы объемом от 5 до 50 см3 или с открытой пористостью менее 5 % - с абсолютной погрешностью не более ± 0,03 г.

Полученное значение массы - масса сухого испытуемого образца m1.

2.Насыщение образца Охлажденный и высушенный образец помещают в емкость для

вакуумирования, вакуумируют до давления не выше 2,5 КПа (25 мбар) в течение 15 мин.

Для проверки полного удаления воздуха из открытых пор отсоединяют емкость от вакуумного насоса и с помощью манометра устанавливают, что давление

30

не повышается из-за дегазации образца. После проверки емкость для вакуумирования подсоединяют к вакуумному насосу и подают насыщающую жидкость так, чтобы через 3 мин образец был покрыт слоем жидкости примерно на 20 мм. Затем насос отключают и выдерживают 30 мин для насыщения жидкостью открытых пор.

Допускается проводить вакуумирование образцов в течение 5 мин при давлении, не превышающем парциальное давление паров насыщающей жидкости, затем (после отключения насоса) соединить емкость с атмосферой и извлечь образцы из емкости.

Образцы с открытой пористостью менее 12 % выдерживают в жидкости не менее 4 ч, если такая операция предусмотрена в нормативной документации на продукцию.

3. Проведение гидростатического взвешивания Определение проводят с помощью устройства для гидростатического

взвешивания при полном погружении образцов в насыщающую жидкость (рисунок 2.1). При взвешивании уровень жидкости в сосуде необходимо поддерживать постоянным. Взвешивание производят с абсолютной погрешностью указанной выше. Получают результат взвешивания образца, погруженного в жидкость, m2. Определяют температуру насыщающей жидкости.

Рисунок 2.1 - Схема устройства для гидростатического взвешивания, 1 - чашка весов; 2 - электронные весы; 3 - рамка подвеса; 4 - нить подвеса металлическая; 5 - сосуд для гидростатического взвешивания; 6 - стакан

с образцом [40].

31