Анализ системы титанат алюминия – кордиерит

курсовая работа

1.2 Свойства кордиерита

Кордиерит(2MgO 2Al2O3 5 SiO2) - материал с низким температурным коэффициентом линейного расширения, способностью противостоять резким перепадам температур, высокой химической стойкостью, диэлектрическими свойствами. Сочетание высокой термостойкости с диэлектрическими свойствами позволяет использовать кордиеритовые изделия в качестве жаростойких электроизолирующих материалов. Кордиеритовая керамика применяется также в качестве носителей катализаторов для очистки выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания, в фильтрах для очистки воды и т.д.

Физические свойства кордиеритовой керамики имеют следующие значения: плотность 1,6 - 2,55 г/см3, ТКЛР (1,97 - 3,56) * 10 -61/ С,(диапазон температур 20 - 700 °С), прочность при изгибе 55 - 100 МПа, Водопоглощение 4,5 - 15%, пористость 1,2 - 38%, диэлектрическая проницаемость 4,5 - 5,5, термостойкость 850 - 1000 С [5].

Кварцеподобный метастабильный твердый раствор состава кордиерита обладает гексагональной элементарной ячейкой (а0=5,200, с0=5,345 А), плотностью 2,59 г/см3, средним показателем светопреломления 1,550 , т.е. таким же как и у кордиеритового стекла, и двупреломлением 0,009.

Тепловое расширение мало, для состава кордиерита коэффициент линейного расширения б составляет 4,72 *10 -6 град -1. Для кордиеритового стекла с=2,32 г/см3, а б = 7,0*10 -6 град -1.

Свойства стекла кордиеритового состава изучены. Выше 1573 К метастабильные кварцеподобные твердые растворы быстро и необратимо переходят в равновесные фазы. С понижением температуры скорость данного перехода уменьшается, зависит она также и от состава. Кварцеподобный твердый раствор кордиеритового состава (м - кордиерит) переходит в б - кордиерит при 1283 К меньше, чем за 5 минут, а при 1198 К только через 36 ч.

Свойства кордиерита, в связи с его значением для минералогии и техники (низкие коэффициенты теплового расширения, высокие электроизолирующие свойства, детально изучены. Кристаллическая структура кордиерита построена из шестичленных колец, образованных тетраэдрами [(Si,Ai)O4], соединенных вершинами. Кольца сочленяются двумя общими атомами кислорода, между которыми образуется большой полый канал. Такие колонны колец соединяются атомами алюминия (находящимися в тетраэдрических позициях) и магния ( в октаэдрических позициях). При искажении колец симметрия Mg2Al4Si5O18 понижается. Структура кордиерита соответствует формуле Al3Mg2(Si5Al)О18.

Изучение полиморфизма кордиерита привело к открытию гексагональной его формы - индиалита, в которую переходит ромбический кордиерит при нагревании. Обнаружены две ромбические (низко- и высокотемпературные) формы кордиерита и две формы гексагонального индиалита. Из расплава первым кристаллизуется б-индиалит, который при охлаждении медленно переходит в ромбический кордиерит. Высокотемпературный в-кордиерит получен в гидротермальных условиях при температуре ниже 1103°К. Детальное изучение изменений Mg2Al4Si5O18 при нагревании показало, что существуют промежуточные фазы между гексагональным индиалитом и псевдогексагональным (ромбическим) кордиеритом. При высоких температурах кордиерит непрерывно превращается в индиалит, что характерно для превращений типа разупорядочение-упорядочение. Установлено, что упорядочение в Mg2Al4Si5O18 зависит от температуры.

Максимальное упорядочение для образца природного кордиерита наблюдалось при 1373°К и выдержке 1,5 ч. Индиалит в виде в-формы образуется ниже 1673 °К, а б-индиалит выше этой температуры. Превращение в ромбическую форму связано с частичной аморфизацией Mg2Al4Si5O18. Для всех указанных процессов характерно незначительное изменение молярного объема Mg2Al4Si5O18, что обусловлено «рыхлой» структурой этого соединения, проявляющейся в низкой парциальной плотности кислорода. Последнее вызывает значительные перестройки без изменения объема, но сказывается на изменении величин констант элементарной ячейки.

В природном кордиерите констатирован недостаток кислорода по сравнению с формулой. Часть групп [SiO4] замещается на группы [ОН]4. В кордиерите также могут быть щелочи и другие компоненты. При давлении до 10 кбар в кристаллическую решетку кордиерита входит до 2,75% Н2О, что сопровождается повышением показателей светопреломления. При лавлении 10 кбар, температуре 1173°К и выдержке 5 ч решетка кордиерита поглощает большие количеста аргона, чем воды. Средний показатель светопреломления кордиерита, насыщенного аргоном, равен 1,547, тогда как на воздухе - только 1,523.

Атомы кальция, наоборот, из-за слишком большой их величины входят в решетку кордиерита в незначительных количествах.

Кордиерит получен в ХIХ столетии при изучении кристаллизации андезитовой магмы. Установлено, что в смеси окислов первичным продуктом является шпинель MgAl2O4, которая реагирует с кремнеземом до кордиерита. В меньших количествах получается форстерит, образующий кордиерит путем последующих реакций с SiO2 и Al2O3.

Для основной реакции образования кордиерита

2MgAl2O4+5SiO2=Mg2Al4Si5O18

Получено следующее уравнение константы скорости данной реакции

К=3,44*10 2ехр(-38800/ RТ).

Скорость образования кордиерита при 1600°К примерно в 1,6*106 меньше скорости образования шпинели из окислов (К1600=2,12*10-10ч-1). Изменение объема (SiО2 - б-кварц) для указанной реакции составляет +18,4%. Начало реакции констатировано приблизительно при температурах 1470 - 1670°К выражается уравнением:

dср=9,9*109 ехр (-67000/RТ).

Из уравнений следует, что энергия активации образования и роста зерен кордиерита в «сухих» смесях велики. Для их понижения исходят из каолина и талька, в которых даже при температурах выше 1273°К еще сохраняется некоторое количество воды, ускоряющей процессы образования кордиерита и рост его зерен.

Температура плавления кордиерита понижается с увеличением давления в гидроткрмальных условиях. При общем давлении 2 кбар кордиерит плавится с образованием муллита, шпинели и расплава при 1498°К При давлении 5 кбар из него образуется при 1363°К шпинель, сапфирин и расплав, а при 10 кбар и 1233°К кордиерит дает сапфирин и расплав.

В «сухих» условиях безводный кордиерит при 10 кбар и 1273 - 1373°К разлагается на энстатит, силлиманит (или муллит) и кварц, а при 8 - 10 кбар и температуре 1473°К и выше из него образуется сапфирин и кварц. Кордиерит при очень высоких давлениях нестабилен.

Делись добром ;)