КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

Гузій Сергій Григорович

УДК 691.327:666.974.033.13+621.315/365

резистивні матеріали будівельного призначення на основі лужних в'яжучих систем

05.23.05 – Будівельні матеріали та вироби

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дозволяю до друку і в світ тиражем 100 примірників

проректор з наукової роботи КНУБА

д.т.н., професор П.В. Кривенко

Київ – 2002

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

Гузій Сергій Григорович

УДК 691.327:666.974.033.13+621.315/365

резистивні матеріали будівельного призначення на основі лужних в'яжучих систем

05.23.05 – Будівельні матеріали та вироби

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Державному науково-дослідному інституті в'яжучих речовин і матеріалів Київського національного університету будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор Пушкарьова Катерина Костянтинівна, Київський національний університет будівництва і архітектури, професор кафедри будівельних матеріалів

Офіційні опоненти - - доктор технічних наук, професор Сердюк Василь Романович, Вінницький державний технічний університет, завідувач кафедри менеджменту організацій кандидат технічних наук, Анопко Дмитро Віталійович, Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій, завідувач лабораторією в'яжучих і бетонів спеціального призначення відділу технології виготовлення залізобетонних конструкцій

Провідна установа – Донбаська державна академія будівництва та архітектури, кафедра технологій будівельних матеріалів, виробів та автомобільних доріг, Міністерство освіти і науки України,

м. Макіївка

Захист відбудеться 26.06 2002 р. о 14 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.056.05 "Підвалини та фундаменти. Будівельні матеріали та вироби" Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03037, м. Київ – 37, повітрофлотський проспект, 31.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03037, м. Київ – 37, повітрофлотський проспект, 31.

Автореферат розісланий 24.05.2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

к.т.н. Бродко О.А.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми: аналіз розвитку виробництва резистивних матеріалів показує, що розширення сфери їх використання можливе за рахунок створення матеріалів із заданими електро-, теплофізичними та фізико-механічними характеристиками, що експлуатуються в діапазоні температур 293-1073К. Причому, отримання таких композицій повинно здійснюватися з використанням ресурсозберігаючих і низькоенергоємних технологій.

Резистивні неметалічні композиційні матеріали являють собою складні гетерогенні системи, один із компонентів яких є струмопровідним. Такі матеріали відзначаються нестабільністю значень електричного опору при змінах температурно-вологого поля, що призводить до зменшення сфери їх застосування.

Подальше удосконалення властивостей електропровідних матеріалів можливо шляхом оптимізації їх складу та застосування таких видів в'яжучих речовин, які забезпечують формування діелектричного компоненту у складі композиційного матеріалу з опором більшим 108 ОмЧм.

Одержання резистивних матеріалів, що включають в своїй структурі діелектричний компонент, дозволить стабілізувати електротехнічні параметри та більш чітко їх регулювати в робочому діапазоні температур.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно до держбюджетної теми міністерства освіти і науки України № 21ДБ-1992 “Розробити та освоїти технологію виробництва композиційних матеріалів спеціального призначення на основі лужних і лужноземельних алюмосилікатних композицій” у 1992-1995 рр. Здобувач виконував обов'язки виконавця.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є встановлення фізико-хімічних закономірностей отримання резистивних композиційних матеріалів в системі “b-C2S – (SiC, C) - Na2O.nSiO2.mH2O”, що характеризуються мінімальною зміною електричного опору в робочому інтервалі температур за рахунок направленого формування діелектричної матриці на основі лужних в'яжучих систем і розробити технологію виробництва електропровідних матеріалів будівельного призначення зі стабільними електрофізичними характеристиками.

Задачі досліджень:

·

· встановити основні закономірності зміни питомого електричного опору резистивних елементів від виду лужного компоненту та типу електропровідного заповнювача;

· розробити та оптимізувати склади резистивних матеріалів і дослідити їх властивості;

· розробити основи технології отримання резистивних матеріалів;

· провести практичне випробування та застосування розроблених складів електропровідних матеріалів у промислових умовах і визначити їх техніко-економічну ефективність.

Об'єктом досліджень є процеси формування штучного каменю з наперед заданими електрофізичними та фізико-механічними властивостями.

Предмет досліджень – резистивні матеріали на основі лужних в'яжучих систем.

Методи досліджень. Експериментальні дослідження виконано із застосуванням сучасних методів фізико-хімічного аналізу: диференційно-термічного, рентгенофазового, інфрачервоної спектроскопії та електронної мікроскопії. Використані традиційні методики визначення міцності, електро- та теплофізичних характеристик штучного резистивного каменю. Оптимізацію складів резистивних композицій проведено за допомогою методів математичного планування експерименту.

Наукова новизна одержаних результатів:

·

· показано, що стабільність електрофізичних властивостей композиційних матеріалів досягається за рахунок направленого синтезу діелектричної матриці, склад продуктів гідратації та дегідратації якої представлений відповідно низькоосновними гідросилікатами кальцію групи CSH(B) та силікатами кальцію (a-CS і b-CS), що характеризуються максимальним значенням питомого опору серед відомих гідро- та силікатів кальцію;

· встановлено взаємовплив діелектричної матриці та функціональних заповнювачів (карбід кремнію, графіт) на формування електрофізичних характеристик отриманих матеріалів. Показано, що при введенні карбіду кремнію в систему “b-C2S – Na2O.nSiO2.mH2O” даний компонент виконує функцію не тільки електропровідного (величина питомого опору резистивного матеріалу становить не більше 106 ОмЧм), але й функцію структуроутворюючого (за рахунок додаткового синтезу воластоніту в складі продуктів випалювання матриці) компоненту, що призводить до стабілізації значень її питомого опору та відкриває можливості отримання на її основі високоомних матеріалів. Введення графіту в лужну систему, поряд із карбідом кремнію, призводить до зниження величини “запираючого шару” та перерозподілу зарядів на поверхні зерен останнього, що дозволяє отримати низькоомні резистивні матеріали із величиною питомого опору 10-2-103 ОмЧм;

· визначена принципова можливість отримання резистивних матеріалів будівельного призначення за рахунок використання діелектричної матриці та направленого вибору функціональних заповнювачів. Так, у випадку використання як заповнювача карбіду кремнію, синтезовані високоомні матеріали (нелінійні опори), які здатні працювати в режимах короткого включення, а в разі використання суміші карбіду кремнію з графітом – отримані низькоомні матеріали (електронагрівачі), що здатні працювати в умовах тривалого включення.

Практичне значення одержаних результатів:

·

·

· розроблено основи технології отримання резистивних композиційних матеріалів (нелінійні опори та нагрівальні елементи), причому, як вихідні компоненти можуть бути використані не тільки хімічно чисті речовини (SiC, C), але й відходи виробництва вогнетривкої та абразивної промисловості.

Резистивні матеріали оптимального складу використані в промислових умовах при виготовленні нагрівальних елементів і гріючих панелей, які застосовані в сушильних конструкціях з підготовки каоліну для випалювання, що працюють в умовах виробничої фірми “ПЕК” м. Біла Церква. Використання розроблених резистивних елементів в гріючих панелях сушильних конструкцій дозволяє у 5,3 рази підвищити термін їх служби в порівнянні з конструкціями, отриманими на основі електропровідних бетонів (бетелів). Економічний ефект від впровадження даної розробки становить 235 грн. 36 коп. на одну гріючу панель.

Особистий внесок здобувача полягає в виконанні експериментальних досліджень, обробці отриманих результатів та впровадженні результатів роботи у виробництво.

Особистий внесок здобувача в наукові праці:

1. Пушкарева Е.К., Гузий С.Г. Оценка надежности эксплуатации объемных резистивных элементов в системе “b-C2S – SiC - C – Na2OЧnSiO2ЧmH2O” // Конструкции гражданских зданий: Сб. науч. тр. – К.: КиевЗНИИЭП. - 1999. – С. 152-156.

За допомогою розподілення Вейбулла виконано оцінку надійності експлуатації резистивних елементів.

2. Пушкарьова К.К., Гузій С.Г. Мікроструктура резистивних композиційних матеріалів в системі “b-C2S – SiC - C – Na2OЧnSiO2ЧmH2O” // Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди: Зб. наук. пр. – Рівне: РДТУ. - 2000. - вип.5. – С. 82-85.

Досліджено мікроструктуру резистивного композиційного матеріалу та вивчено її вплив на електрофізичні характеристики матеріалу.

3. Пушкарева Е.К., Гузий С.Г. Моделирование процессов получения нелинейных высокоомных резистивных композиционных материалов в системе “b-C2S – SiC - C – Na2OЧnSiO2ЧmH2O” // Будівництво: Зб. наук. пр. – Д.: ДІІТ. – Вип. 9. – 2001. – С. 54-57.

З використанням математичних методів планування експерименту визначена оптимальна область існування складів нелінійних резистивних матеріалів і вивчено їх основні електрофізичні властивості.

4. Пушкарева Е.К., Гузий С.Г. Исследование физико-химических процессов формирования диэлектрической матрицы в системе “b-C2S – Na2OЧnSiO2ЧmH2O” // Науково-практичні проблеми моделювання та прогнозування надзвичайних ситуацій: Зб. наук. ст. – К.: КНУБА. – 2002 - Вип. 5. – С. 23-29.

Визначено склад продуктів гідратації та дегідратації лужних в'яжучих речовин на формування діелектричної матриці.

5. Пушкарева Е.К., Гузий С.Г. Моделирование процессов получения резистивных композиционных материалов на основе щелочных вяжущих, модифицированных добавками ферросилиция // Науково-практичні проблеми моделювання та прогнозування надзвичайних ситуацій: Зб. наук. ст. – К.: КНУБА. - 1999. - Вип. 2. – С. 44-48.

Визначено фактори, за рахунок яких забезпечується стабільність електрофізичних властивостей оптимальних складів резистивних композитів.

6. Пушкарьова К.К., Гузій С.Г. Резистивні композиційні матеріали (РКМ) в системі “b-C2S – SiC - C – Na2OЧnSiO2ЧmH2O” // Конструкции гражданских зданий: Сб. науч. тр. – К.: КиевЗНИИЭП. - 1999. – С. 65-75.

Вивчено основні фізико-хімічні закономірності утворення резистивного композиційного матеріалу на основі лужних в'яжучих. Розроблено склади електропровідних матеріалів на різних видах сировини та вивчено їх основні електро-, теплофізичні та механічні властивості в робочому діапазоні температур (293-723К).

7. Гузий С.Г., Журавская Н.Е., Трофимович В.В. Разработка способов очистки газовоздушных выбросов на коммунальных предприятиях // Науково-практичні проблеми моделювання та прогнозування надзвичайних ситуацій: Зб. наук. ст. – К.: КНУБА. - 1999. - Вип. 2. – С. 210-214.

Показано ефективність застосування нагрівальних елементів із резистивних композиційних матеріалів як підложки для каталітичного шару в системах очистки газоповітряних викидів комунальних підприємств.

8. Пушкарева Е.К., Гузий С.Г. Технология получения и разработка составов электропроводных композиционных материалов со стабильными электрофизическими характеристиками в диапазоне температур 20-800оС // Вопросы современного строительного материаловедения и строительства: Сб. науч. тр. – Л.: Львовстромниипроект. - 1998. – С. 113-121.

З використанням математичних методів планування експерименту оптимізовано склади електропровідних композиційних матеріалів, а за допомогою фізико-хімічних методів аналізу досліджено фазовий склад продуктів гідратації та дегідратації штучного каменю. Розроблені основи технології отримання електропровідних матеріалів і вивчено їх основні електрофізичні властивості.

9. Кривенко П.В., Пушкарева Е.К., Гузий С.Г. Жаростойкие электропроводные композиционные материалы на основе шлакощелочных связок // Тез. докл. респуб. семинара “Строительные материалы, изделия и конструкции со специальными эксплуатационными свойствами”. – К.: “Знание”, 1993. – С. 13-14.

отримано електропровідні матеріали на основі шлаколужної в'яжучої речовини та досліджено їхні основні електромеханічні характеристики.

10. Пушкарева Е.К., Гузий С.Г. Пленочные электронагревательные элементы на основе щелочных алюмосиликатных связок // Тез. докл. III Междунар. конф. “Материалы для строительных конструкций” ICMBў94. – Д.: ПГАСА. - 1994. Ч.II. – С. 42-43.

Досліджена можливість використання лужних алюмосилікатних зв'язок для отримання плівкових нагрівальних елементів з необхідними електрофізичними характеристиками.

11. Пушкарева Е.К., Гузий С.Г. Моделирование свойств специальных электропроводных композитов на основе щелочного алюмосиликатного связующего // Тез. докл. VII Междунар. науч.-практ. конф. “Защитные строительные материалы и конструкции”. – С.Пб.: СПбИИЖТ. - 1995. – С. 40-41.

З використанням математичних методів планування експерименту оптимізовано склади електропровідних матеріалів і визначено параметри, що забезпечують стабільність електрофізичних властивостей та довговічность роботи електропровідного композита.

12. Пушкарева Е.К., Гузий С.Г. Специальные электропроводные покрытия на основе щелочных алюмосиликатных вяжущих веществ // Тез. докл. VII Междунар. науч.-практ. конф. “Защитные строительные материалы и конструкции”. – С.Пб.: СПбИИЖТ. - 1995. – С. 41-42.

Показана можливість використання лужних алюмосилікатних в'яжучих для виготовлення плівкових електропровідних покриттів. Досліджено основні електротехнічні властивості розроблених матеріалів.

13. Пушкарева Е.К., Гузий С.Г. Структура и электротехнические свойства резистивных материалов на основе щелочных вяжущих веществ // Материалы Междунар. семинара “Структурообразование, разрушение композиционных строительных материалов и конструкций”. – О.: ОГАСА. - 1996. – С. 45-46.

Досліджена можливість використання техногенної сировини для виготовлення резистивних матеріалів. Вивчено електромеханічні властивості розроблених матеріалів.

14. Романенко Н.Е., Гузий С.Г. Совершенствование процесса обезвреживания горючих примесей в отбросных газах // 19 th Int. Sc. Symp. of students and young research workers. – Poland: Zielowa Gora. - Kwiecien. - 1997. - Vol. 1. - P. 254-257.

Визначена можливість використання нагрівальних елементів як носія каталітичного шару для установок по знешкодженню горючих домішок у газах, що викидаються.

15. Пушкарева Е.К., Гузий С.Г. Применение методов математического планирования эксперимента для оптимизации составов электропроводных материалов // Материалы к 40-му междунар. семинару по моделированию и оптимизации композитов ”Моделирование и оптимизация в материаловедении” (MOK'40). – О.: Астропринт. - 2001. – С. 76-77.

Виконано оптимізацію складів електропровідних матеріалів із заданими властивостями, що отримані на основі техногенної сировини.

16. Пушкарева Е.К., Гузий С.Г. Изучение влияния дисперсного углерода на электромеханические свойства электропроводных материалов на основе щелочных вяжущих систем // Тез. докл. XXXVII Междунар. семинара “Актуальные проблемы прочности”. – К.: ИПМ. - 2001. – С. 359-360.

Вивчено вплив дисперсного вуглецю на електромеханічні властивості електропровідних матеріалів на основі лужних в'яжучих систем.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на міжнародному науковому симпозиумі студентів і молодих вчених (Польща, Зелена Гура, 1997 р.), міжнародних конференціях: “Матеріали для будівельних конструкцій” ICMBў94 (Дніпропетровськ, 1994 р.), “Захисні будівельні матеріали та конструкції” (Санкт-Петербург, СПбІІЗТ, 1995 р.), “Лужні цементи та бетони” (Київ, ДНДІВМ, 1994, 1999 рр.), “Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди” (Рівне, РДТУ, 2001 р.), “Реконструкція будівель та споруд. Досвід та проблеми” (Київ, НДІБК, 2001 р.), 53, 58, 60, 61 та 62 науково- практичних конференціях КНУБА (1992, 1997, 1999-2001 рр.), міжнародних семінарах: “Структуроутворення, руйнування композиційних будівельних матеріалів і конструкцій” (Одеса, ОДАБА, 1996 р.), “Моделювання та оптимізація в матеріалознавстві” (Одеса, ОДАБА, 2001 р.), “Актуальні проблеми міцності” (Київ, ІПМ, 2001 р.), “Будівельні матеріали, вироби та конструкції зі спеціальними експлуатаційними властивостями” (Київ, “Знання”, 1993 р.), “Матеріали для сучасного будівництва” (Київ, НДІБМВ, 2001 р.).

Публікації: за темою дисертації опубліковано 21 друковану роботу, в тому числі 6 публікацій – в наукових фахових виданнях, 5 – у збірниках і журналах та 10 – у матеріалах вітчизняних та міжнародних конференцій, семінарів.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота викладена на 113 сторінках основної частини, яка складається із вступу, п'яти розділів, висновків і містить 21 таблицю та 38 рисунків. Повний обсяг дисертації становить 171 сторінку і включає поряд з основною частиною список використаних джерел з 200 найменувань та 10 додатків, що містять 9 таблиць.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність та доцільність виконання даної роботи, сформульована мета досліджень, наукова новизна, практичне значення та основні задачі, що розв'язані в роботі.

У першому розділі наведено огляд стану проблеми та визначено теоретичні передумови досліджень.

Сучасний рівень виробництва резистивних елементів та гріючих конструкцій вимагає розробки електропровідних матеріалів із регульованими електро-, тепло- та фізико-механічними характеристиками, що експлуатуються в діапазоні температур 293-1073К.

Існує декілька технологічних напрямків розвитку електропровідних композицій на основі мінеральних в'яжучих речовин, які включають можливість отримання ефективних матеріалів за рахунок введення заповнювачів із електронним типом провідності (М.С. Добжинський, Л.Є Врублевський, В.Р. Сердюк та ін.), використання нових видів в'яжучих речовин (І.В. Автономов, Р.Ф. Рунова, С.Є. Максунов та ін.), а також введення діелектричного компоненту до структури композиційного матеріалу (В.П. Горілов, Г.А. Пугачов та ін.).

Аналіз ефективності використання вищенаведених заходів, в т.ч. оцінки стабільності електрофізичних характеристик матеріалів показує, що найбільш доцільним є розвиток останнього напрямку, причому, зміна кількості діелектричної складової в складі резистивних композицій дозволяє регулювати їх експлуатаційні властивості.

Аналіз теоретичних положень в області композиційної побудови резистивних матеріалів із заданими властивостями, а також даних про зниження основності новоутворень, що формуються, при гідратації силікатів кальцію в присутності лужних сполук, дозволяє висунути гіпотезу про можливість одержання в системі “в-C2S-SiC-C-Na2OЧnSiO2ЧmH2O” електропровідних матеріалів зі стабільними характеристиками, які відрізняються розширеним температурним інтервалом експлуатації та довговічністю, за рахунок направленого формування в їх структурі діелектричної матриці, що представлена низькоосновними силікатами кальцію, які характеризуються максимальним значенням питомого опору в порівнянні з відомими силікатами кальцію. Причому, для досягнення стабільності електрофізичних властивостей резистивних матеріалів, ступінь зміни електрофізичних характеристик матриці в робочому діапазоні температур повинен бути мінімальним.

У другому розділі наведено характеристики сировинних матеріалів, необхідних для виготовлення лужного в'яжучого та електропровідних матеріалів.

Як силікатний компонент в'яжучого використовували клінкерний мінерал в-C2S, який синтезований в умовах дослідного заводу НДІцемент (Росія), техногенну сировину, що містить мінерали C2S, та є відходами чорної та кольорової металургії (нефеліновий шлам, шлак марганцю металевого, щлак конверторний). як лужний компонент в'яжучої речовини використовували натрієве розчинне скло (ГОСТ 13078) із силікатним модулем Мс=1,0-2,8, густиною r=1400 кг/м3 Київського склотарного заводу. Струмопровідні компоненти представлені заповнювачами - карбідом кремнію марки 54С фракцій 8-64 мкм (ГОСТ 26327) Запорізького абразивного комбінату і графітом марки ГЛ-1 (гост 4596) Завальєвського графітового комбінату (Україна), а також відходами виробництва карбідокремнієвих нагрівачів Запорізького вогнетривкого заводу та графітових електродів Дніпровського електродного комбінату (м. Запоріжжя).

Дослідження впливу режимів температурної обробки на фазовий склад новоутворень лужних в'яжучих та на процеси структуроутворення електропровідних матеріалів здійснені за допомогою комплексу фізико-хімічних методів: рентгенофазового, диференційно-термічного, мікроскопічного та інфрачервоної спектроскопії.

Оптимізацію складів та технологічних параметрів отримання електропровідних матеріалів проводили за допомогою методів експериментально-статистичного моделювання.

Для встановлення фізико-механічних, електро- та теплофізичних характеристик композицій були використані зразки-циліндри, діаметр і висота яких становить 22 мм, та зразки-пластини розмірами 10х125х3,5 мм. Зразки виготовляли методом пресування (питомий тиск 50 МПа/см2) шихти вологістю 8-10%. Механічні властивості резистивних матеріалів визначали згідно ГОСТ 2055. Розрахунки електрофізичних і теплофізичних характеристик (питомого опору, коефіцієнтів нелінійності, температурного опору, теплопровідності, лінійного температурного розширення та середньої теплоємкості) резистивних композитів здійснено за традиційними методиками. Довговічність отриманих матеріалів оцінена за методикою, що передбачає встановлення середнього часу безвідмовної роботи електропровідних матеріалів з використанням розподілення Вейбулла.

У третьому розділі встановлено основні фізико-хімічні закономірності отримання резистивних композиційних матеріалів на основі лужних в'яжучих і електропровідних заповнювачів у системі “в-C2S-SiC-C-Na2OЧnSiO2ЧmH2O”.

За допомогою двофакторного трирівневого плану експерименту досліджено вплив параметрів рідкого скла та температури обробки в системі “в-C2S-Na2OЧnSiO2ЧmH2O” на особливості направленого синтезу діелектричної матриці, яка характеризується мінімальною зміною питомого опору (1,2-2,3%) і показано, що найбільш високими фізико-механічними властивостями (50-60 МПа) і питомим опором більшим 108 ОмЧм відзначаються композиції, що отримані при використанні лужного компоненту з силікатним модулем Мс=1,9 і густиною 1250 кг/м3 (рис. 1). Згідно даних рентгенофазового аналілу склад продуктів гідратації і дегідратації діелектричної матриці представлений кристалохімічно подібними мінералами a- і b-CS, які характеризуються максимальним значенням питомого опору серед відомих силікатів кальцію.

Особливості продуктів дегідратації даної в'яжучої системи, яка представлена

метасилікатами кальцію з високим питомим опором, дозволяють відмовитися від додаткового введення діелектричного заповнювача. Враховуючи діелектричні властивості матриці, як струмопровідний компонент доцільно використовувать компоненти з електронним типом провідності, наприклад, карбід кремнію та графіт.

Рис. 1 Сумісні діаграми зміни електромеханічних характеристик пресованих зразків в'яжучих композицій системи “b-C2S-Na2O.(1-2,8)SiO2.mH2O” (rс=1250-1350 кг/м3) в інтервалі температур 293-1273К

Так, за допомогою двофакторного трирівневого плану експерименту оптимізовані склади резистивних матеріалів в модельній системі “в-C2S-SiC-Na2OЧnSiO2ЧmH2O”, які дозволяють після випалювання при Т=1273К одержати штучний камінь із заданими характеристиками (міцність при стиску більша 20 МПа, а величина питомого опору не більша 106 ОмЧм) (рис. 2, а). Встановлено, що при введенні карбіду кремнію в кількості 68-85%, можливе отримання високоомних матеріалів, величина питомого опору яких становить 5,3-8,8Ч105 ОмЧм.

Для розширення сфери застосування отриманих високоомних матеріалів і зниження їх питомого опору до величин 10-1-103 ОмЧм доцільно у вищезгадану систему крім карбіду кремнію ввести графіт, який змінює розподіл зарядів на поверхні зерен карбіду кремнію та знижує величину “запірного шару”.

За допомогою симплекс-решітчастого методу планування експерименту оптимізовано склади низькоомних композицій в модельній системі “в-C2S-SiC-C-Na2OЧnSiO2ЧmH2O” і показано, що оптимальні значення електромеханічних характеристик (міцність при стиску не менша 15 МПа, величина питомого опору не більша 0,3 ОмЧм) досягаються після термообробки композицій, що вміщують b-C2S – (15-28) мас.%, SiC – (54-67) мас.% і С – (14-23) мас.% (рис. 2, б).

За допомогою фізико-хімічних методів досліджень визначено, що SiC виконує роль не тільки струмопровідного компоненту, але і структуроутворюючого, що сприяє збільшенню кількості діелектричної складової за рахунок додаткового синтезу воластоніту в складі продуктів випалювання матриці, та призводить до стабілізації значень її питомого опору. Введення до складу композицій графіту обумовлює формування в продуктах дегідратації низькоосновних силікатів кальцію та тилеїту, які сприяють стабілізації значень питомих опорів отриманих низькоомних матеріалів.

Рис. 2 Сумісні діаграми зміни електромеханічних характеристик пресованих зразків високоомних (а) і низькоомних резистивних матеріалів (б) в інтервалі температур 293-1473К отриманих з використанням систем: а) система “в-C2S-SiC-Na2OЧnSiO2ЧmH2O”; б) система “в-C2S-SiC-C-Na2OЧnSiO2ЧmH2O”

Четвертий розділ присвячений розробці та оптимізації складів резистивних композиційних матеріалів в системі “в-C2S-SiC-C-Na2OЧnSiO2ЧmH2O”, отриманих на основі техногенної сировини, та дослідженню їх основних властивостей.

На основі лужного в'яжучого оптимального складу відповідно до плану двофакторного трирівневого експерименту було розроблено склади високоомних електропровідних матеріалів (рис. 3, а), в яких як силікатний компонент використано нефеліновий шлам, помелений до питомої поверхні 400 м2/кг, а як струмопровідний заповнювач – відходи виробництва карбідкремнієвих нагрівачів, що були подрібнені до фракцій 16-64 мкм.

Отримані високоомні матеріали характеризуються міцністю при стиску після випалу при Т=1273К не менше 64 МПа, питомим опором – 1,8Ч105 ОмЧм, коефіцієнтом нелінійності – 0,18-0,23 і можуть бути рекомендовані для виготовлення нелінійних елементів систем управління енергетичними, виробничими та будівельними процесами.

На основі лужного в'яжучого оптимального складу відповідно до плану симплекс-решітчастого експерименту розроблено низькоомні електропровідні матеріали (рис. 3, б) в яких як силікатний компонент використано шлак марганця металічного, помелений до питомої поверхні 400 м2/кг, а як струмопровідні заповнювачі – відходи виробництва карбідкремнієвих нагрівачів, які були подрібнені до фракцій 8-12 мкм та графітових електродів, помелених до питомої поверхні 700 м2/кг.

Рис. 3 Сумісні діаграми зміни електромеханічних характеристик пресованих зразків високоомних резистивних матеріалів на основі нефілінового шламу (а) і низькоомних резистивних матеріалів на основі шлаку марганцю металічного (ШлMn) (б) в інтервалі температур 293-1273К

Отримані низькоомні матеріали характеризуються міцністю при стиску не

більше 20 МПа та питомим опором не більше 0,5 ОмЧм і можуть бути рекомендовані для виготовлення нагрівальних елементів для гріючих конструкцій будівельного призначення.

Виконано розрахунок надійності експлуатації низькоомних резистивних елементів і встановлено, що середній період безвідмовної роботи при температурі 813К складає 236 годин, в той час як для відомих аналогів середній час безвідмовної їх роботи при температурі 813К не перебільшує 125 хвилин.

Як видно з даних табл.1, розроблений високоомний резистивний матеріал за своїми основними характеристиками не поступається відомим, а за величиною граничної температури короткочасного перегріву, перевищує відомі аналоги в 2,4 рази.

Таблиця 1

Порівняльні параметри відомих і розроблених складів високоомних резистивних матеріалів (нелінійних опорів)

Параметр Тирит, вілит, летин (Росія) Mорганайт (Англія) Розроблений матеріал

питома теплоємність, 10-3 Дж/(кг*К) 0,63-0,75 0,63-1,25 0,63-2,5

теплопровідність, Вт/(м*К) 0,084-4,19 0,63-4,19 0,8-4,19

міцність при стиску, МПа 40-50 50 35-65

середня густина, 103 кг/м3 2,0-2,4 2,0-2,5 1,8-2,2

гранична температура корот-кочасного нагріву (до 3 с), К 493 523 1273

питомий опір, Ом*м 105-108 (3,8-25)·106 (1,8ё9,4)Ч105

коефіцієнт нелінійності 0,15-0,35 0,80-0,98 0,18-0,23

температурний коефіцієнт опору, 10-4 K-1 -(20ё35) -(10ё15) -(8ё25)

Порівняння характеристик відомих резистивних матеріалів із характеристиками розроблених складів нагрівальних елементів (табл. 2) дозволяє

відзначити наступні їх переваги: більш низький опір (10-2 – 102 ОмЧм) та розширений температурний інтервал експлуатації (максимальна температура нагрівання на 300-640 градусів перевищує граничну температуру експлуатації відомих аналогів).

У п'ятому розділі представлені результати дослідно-промислового впровадження розроблених складів резистивних композиційних матеріалів для виробництва на їх основі нагрівачів для конструкцій, які використані в сушильному агрегаті, що експлуатується в умовах промислової фірми “ПЕК”, м. Біла Церква. Здійснено випробування 50 гріючих панелей, конструкція яких передбачає використання розроблених нагрівальних елементів в кількості 6 шт. на одну гріючу панель. Економічний ефект від впровадження даної розробки становить 234 грн. 36 коп. на одну гріючу панель і досягається не тільки зниженням собівартості панелей, але й підвищенням терміну їх експлуатації у 5,3 рази.

Таблиця 2

Порівняльні параметри відомих і розроблених складів низькоомних резистивних матеріалів (нагрівачів)

Параметри Бетел (Росія) РКМ 1 (Росія) Розроблений матеріал

I* II* III*

питома теплоємність, 10-3 кДж/(кгЧК) 0,9-0,96 0,75-0,95 0,63-1,1 0,75-1,05 0,5-1,45

теплопровідність, Вт/(мЧК) 0,52-2,9 0,6-3 0,6-2,5 0,6-3,2 0,75-3

міцність при стиску, МПа 10-40 10-80 15-20 18-30 20-55

середня густина, 103 кг/м3 1,6-2,2 1,6-2,1 1,8- 1,9-2 1,9-2,1

максимальна температура застосування, К 433 500 1073 1073 773

питомий опір, Ом*м 10-102 102-106 10-1-100 10-2-100 10-1-102

температурний коефіцієнт опору, 10-4 K-1 -(7ё40) -(10ё35) -(2ё18) -(7ё30) -(10ё25)

Примітка: I* - в'яжуча речовина на основі шлаку марганцю металевого; II* - в'яжуча речовина на основі нефелінового шламу; III* - в'яжуча речовина на основі шлаку конвертерного.

ВИСНОВКИ

1. Вивчено фізико-хімічні закономірності отримання резистивних матеріалів на основі лужних в'яжучих зі стабільними електрофізичними властивостями в діапазоні температур Т=293-1073К, структура яких представлена діелектричною матрицею (з опором більше 108 ОмЧм), яка армована заповнювачами, що містять вуглець (карбід кремнію, графіт).

2. Досліджено особливості направленого синтезу діелектричної матриці, яка характеризується мінімальною зміною опору (1,2-2,3%) в системі “b-C2S-Na2OЧnSiO2ЧmH2O” та показано, що найбільш високою міцністю (50-60 МПа) і питомим опором (більше 108 ОмЧм) відзначаються композиції, які отримані при використанні лужного компонента з силікатним модулем Мс=1,9 і густиною 1250 кг/м3. Склад продуктів гідратації та дегідратації діелектричної матриці представлений відповідно низькоосновними гідросилікатами кальцію групи CSH(B) та силікатами кальцію (a-CS, b-CS), які характеризуються максимальними значеннями питомого опору серед відомих гідро- та силікатів кальцію.

3. Вивчено особливості процесів гідратації і дегідратації в системі “b-C2S-Na2OЧnSiO2ЧmH2O” і показано, що введення лужного компоненту збільшує кількість низькоосновних гідросилікатів (в продуктах тверднення) і силікатів групи воластоніту (в продуктах випалювання) та сприяє плавному протіканню процесів випалювання матеріалу без різкого зниження характеристик міцності композицій.

4. Встановлено основні закономірності зміни електрофізичних характеристик резистивних матеріалів, які отримані на основі діелектричної матриці та заповнювачів, що вміщують вуглець (карбід кремнію, графіт). Вивчено вплив добавки карбіду кремнію на процеси структуроутворення композицій в системі “b-C2S-SiC-Na2OЧnSiO2ЧmH2O” та показано, що даний компонент виконує функцію не тільки електропровідного (величина питомого опору не більше 106 ОмЧм), але і структуроутворюючого елемента, сприяючи збільшенню кількості діелектричної складової за рахунок додаткового синтезу воластоніту в складі продуктів дегідратації матриці.

5. Введення у систему поряд з карбідом кремнію графіту приводить до перерозподілу зарядів на поверхні зерен карбіду кремнію та знижує величину “запірного шару”, що дозволяє отримати низькоомні матеріали зі зниженими значеннями питомого опору (10-1-103 ОмЧм).

6. За допомогою двофакторного методу планування експерименту оптимізовано склади резистивних композиційних матеріалів у системі “b-C2S-SiC-Na2OЧnSiO2ЧmH2O”, які дозволяють отримати штучний камінь із заданими характеристиками міцності (границя міцності на стиск більше 20 МПа) та електрофізичними характеристиками (питомий опір не більше 106 ОмЧм) і встановлено, що при введенні SiC в кількості 68-85% можливо отримати високоомні матеріали з питомим опором r=(5,3-8,8)Ч105 ОмЧм.

7. За допомогою симплекс- решітчастого методу планування експерименту оптимізовано склади низькоомних композицій в системі “b-C2S-SiC-С-Na2OЧnSiO2ЧmH2O” і показано, що оптимальні значення електромеханічних характеристик (міцність при стиску не менше 15 МПа, а величина питомого опору не більше 0,3 ОмЧм) досягаються після термообробки композицій складу, що вміщують b-C2S – (15-28) мас.%, SiC – (54-67) мас.% і С – (14-23) мас.%. В складі продуктів дегідратації вищевказаних композицій відзначається направлене формування низькоосновних силікатів кальцію та тилеїту, які сприяють стабілізації значень питомих опорів розроблених резистивних матеріалів.

8. Встановлені фізико-хімічні закономірності процесів структуроутворення в системах “b-C2S-SiC-Na2OЧnSiO2ЧmH2O” і “b-C2S-SiC-С-Na2OЧnSiO2ЧmH2O” були використані для отримання високо- та низькоомних резистивних матеріалів будівельного призначення на основі техногенної сировини, що містять b-C2S і g-C2S (нефеліновий шлам, шлак марганцю металічного, шлак конвертерний), і відходів вогнетривкої і абразивної промисловості.

9. Розроблено склади високоомних електропровідних матеріалів, які отримані на основі техногенної сировини (міцність при стиску після випалу при Т=1273К не менше 64 МПа, питомий опір - 1,8Ч105 ОмЧм, коефіцієнт нелінійності – 0,18-0,23), і які можуть бути рекомендовані для виготовлення елементів систем управління енергетичними, виробничими і будівельними процесами.

10. На основі техногенної сировини отримані низькоомні резистивні матеріали (міцність при стиску не менше 20 МПа, питомий опіро не більше 0,5 ОмЧм), і які можуть бути рекомендовані для виготовлення нагрівальних елементів гріючих конструкцій будівельного призначення. Виконано розрахунок надійності експлуатації низькоомних резистивних елементів і встановлено, що середній час безвідмовної роботи при температурі 813К складає 236 годин, в той час як для відомих аналогів середній час безвідмовної роботи при температурі 813К не перебільшує 125 хвилин.

11. Розроблено основи технології отримання резистивних матеріалів будівельного призначення, що передбачають використання техногенної сировини як для отримання в'яжучих, так і струмопровідних заповнювачів.

12. В промислових умовах на основі розробленого оптимального складу резистивної композиції отримані низькоомні нагрівальні елементи, які характеризуються міцністю при стиску після сушки – 11,4 МПа, після прямого пропускання електричного струму (електротренування) – 40,67 МПа; питомим опором – 0,13 ОмЧм; пористістю – 15%; середньою густиною – 2190 кг/м3; коефіцієнтом теплопровідності в інтервалі температур 323-673 К – 4,12 Вт/мЧК; середнім значенням КЛТР в інтервалі температур 293-673 К – 7,1Ч10-6 1/К; періодом безвідмовної роботи при температурі нагрівання поверхні 723К - 273 год.

Здійснено промислове випробування 50 гріючих панелей, конструкція яких передбачає використання розроблених нагрівальних елементів в кількості 6 шт. на одиницю продукції. Панелі застосовані в сушильному агрегаті з підготовки каоліну для випалювання в умовах роботи виробничої фірми “ПЕК” (м. Біла Церква). Економічний ефект від застосування зазначених конструкцій за період експлуатації складає 234 грн. 36 коп. на одну гріючу панель, що обумовлено не тільки зниженням собівартості панелей, але й підвищенням терміну їх експлуатації у 5,3 рази.

Основні положення дисертації викладено в працях

1. Пушкарева Е.К., Гузий С.Г. Оценка надежности эксплуатации объемных резистивных элементов в системе “b-C2S – SiC - C – Na2OЧnSiO2ЧmH2O” // Конструкции гражданских зданий: Сб. науч. тр. – К.: КиевЗНИИЭП. - 1999. – С. 152-156.

2. Пушкарьова К.К., Гузій С.Г. Мікроструктура резистивних композиційних матеріалів в системі “b-C2S – SiC - C – Na2OЧnSiO2ЧmH2O” // Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди: Зб. наук. пр. – Рівне: РДТУ. - 2000.- вип. 5. – С. 82-85.

3. Гузій С.Г. Вплив лужного та температурного середовища на стійкість карбіду кремнію проти окислення // Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди: Зб. наук. пр. – Рівне: РДТУ. - 2001. - вип.6. – С. 16-22.

4. Гузий С.Г. Греющие панели из резистивных композиционных материалов для конструкции “теплый пол” // Будівельні конструкції: Зб. наук. пр. – К.: ДНДІБК. - 2001. - вип. 54. – С. 241-245.

5. Пушкарева Е.К., Гузий С.Г. Моделирование процессов получения нелинейных высокоомных резистивных композиционных материалов в системе “b-C2S – SiC - C – Na2OЧnSiO2ЧmH2O” // Будівництво: Зб. наук. пр. – Д.: ДІІТ. – Вип. 9. – 2001. – С. 54-57.

6. Пушкарева Е.К., Гузий С.Г. Исследование физико-химических процессов формирования диэлектрической матрицы в системе “b-C2S – Na2OЧnSiO2ЧmH2O” // Науково-практичні проблеми моделювання та прогнозування надзвичайних ситуацій: Зб. наук. ст. – К.: КНУБА. - 2002. - Вип. 5. – С. 23-29.

7. Пушкарева Е.К., Гузий С.Г. Технология получения и разработка составов электропроводных композиционных материалов со стабильными электрофизическими характеристиками в диапазоне температур 20-800оС // Вопросы современного строительного материаловедения и строительства: Сб. науч. тр. – Л.: Львовстромниипроект. - 1998. – С. 113-121.

8. Пушкарьова К.К., Гузій С.Г. Резистивні композиційні матеріали (РКМ) в системі “b-C2S – SiC - C – Na2OЧnSiO2ЧmH2O” // Конструкции гражданских зданий: Сб. науч. тр. – К.: КиевЗНИИЭП. - 1999. – С. 65-75.

9. Пушкарева Е.К., Гузий С.Г. Моделирование процессов получения резистивных композиционных материалов на основе щелочных вяжущих, модифицированных добавками ферросилиция // Науково-практичні проблеми моделювання та прогнозування надзвичайних ситуацій: Зб. наук. ст. – К.: КНУБА. - 1999. - Вип. 2. – С. 44-48.

10. Гузий С.Г., Журавская Н.Е., Трофимович В.В. Разработка способов очистки газовоздушных выбросов на коммунальных предприятиях // Науково-практичні проблеми моделювання та прогнозування надзвичайних ситуацій: Зб. наук. ст. – К.: КНУБА. - 1999. - Вип. 2. – С. 210-214.

11. Гузій С.Г. Нагрівальні панелі з резистивних композиційних матеріалів // Будівельні матеріали та вироби. - 2001. - №2. – С. 29-30.

12. Кривенко П.В., Пушкарева Е.К., Гузий С.Г. Жаростойкие электропроводные композиционные материалы на основе шлакощелочных связок // Тез. докл. респуб. семинара “Строительные материалы, изделия и конструкции со специальными эксплуатационными свойствами”. – К.: “Знание”, 1993. – С. 13-14.

13. Пушкарева Е.К., Гузий С.Г. Пленочные электронагревательные элементы на основе щелочных алюмосиликатных связок // Тез. докл. III Междунар. конф. “Материалы для строительных конструкций” ICMBў94. – Д.: ПГАСА. - 1994. - Ч. II.-– С. 42-43.

14. Guziy S.G. Current-condacting composite materials based on alkaline aluminosilikate binders // Alkaline Cements and Concretes: Proc. 1st Int. Conf. – Kiev: VIPOL. - 1994. - Vol.2 – P. 1085-1094.

15. Пушкарева Е.К., Гузий С.Г. Моделирование свойств специальных электропроводных композитов на основе щелочного алюмосиликатного связующего // Тез. докл. VII Междунар. науч.-практ. конф. “Защитные строительные материалы и конструкции”. – С.Пб.: СПбИИЖТ. - 1995. – С. 40-41.

16. Пушкарева Е.К., Гузий С.Г. Специальные электропроводные покрытия на основе щелочных алюмосиликатных вяжущих веществ // Тез. докл. VII Междунар. науч.-практ. конф. “Защитные строительные материалы и конструкции”.– С.Пб.: СПбИИЖТ. - 1995.– С. 41-42.

17. Пушкарева Е.К., Гузий С.Г. Структура и электротехнические свойства резистивных материалов на основе щелочных вяжущих веществ // Материалы Междунар. семинара “Структурообразование, разрушение композиционных строительных материалов и конструкций”. – О.: ОГАСА. - 1996. – С. 45-46.

18. Романенко Н.Е., Гузий С.Г. Совершенствование процесса обезвреживания горючих примесей в отбросных газах // 19 th Int. Sc. Symp. of students and young research workers. – Poland: Zielowa Gora. - Kwiecien. - 1997. - Vol. 1. - P. 254-257.

19. Guziy S.G. The studies on properties of the resistive composite materials based on alkaline cements in a systems “b-C2S – (Fe, FeSi, SiC, C) – Na2OЧnSiO2ЧmH2O” // Alkaline Cements and Concretes: Proc. of the Second Int. Conf. – Kiev: ORANTA Ltd. - 1999. – P. 599-610.

20. Пушкарева Е.К., Гузий С.Г. Применение методов математического планирования эксперимента для оптимизации составов электропроводных материалов // Материалы к 40-му междунар. семинару по моделированию и оптимизации композитов ”Моделирование и оптимизация в материаловедении” (MOK'40). – О.: Астропринт. - 2001. – С. 76-77.

21. Пушкарева Е.К., Гузий С.Г. Изучение влияния дисперсного углерода на электромеханические свойства электропроводных материалов на основе щелочных вяжущих систем // Тез. докл. XXXVII Междунар. семинара “Актуальные проблемы прочности”. – К.: ИПМ. - 2001. – С. 359-360.

АНОТАЦІЯ

Гузій С.Г. Резистивні матеріали будівельного призначення на основі лужних в'яжучих систем. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.05 – будівельні матеріали та вироби. - Київський національний університет будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України, Київ, 2002.

В роботі теоретично обгрунтована та практично підтверджена можливість отримання на основі лужних в'яжучих систем резистивних матеріалів будівельного призначення, що складаються з діелектричної матриці та струмопровідних заповнювачів. Встановлено, що стабільність електрофізичних властивостей резистивних матеріалів в робочому інтервалі температур 293-1073К досягається за рахунок направленого синтезу діелектричної матриці, що представлена низькоосновними силікатами кальцію групи воластоніта (a-CS, b-CS), які характеризуються максимальним значенням питомого опору серед відомих силікатів кальцію. Запропоновано склади високо- та низькоомних матеріалів на основі техногенної сировини. встановлено технологічні параметри синтезу резистивних матеріалів та розроблено основи технології їх виробництва. Отримані резистивні матеріали застосовані як нагрівальні елементи в конструкціях гріючих панелей.

Ключові слова: лужні в'яжучі системи, резистивні матеріали, питомий електричний опір, нагрівальні елементи, гріючі панелі.

аннотация

Гузий С.Г. Резистивные материалы строительного назначения на основе щелочных вяжущих систем. - Рукопись.

Диссертация на соискание