Анализ системы титанат алюминия – кордиерит

курсовая работа

1.3 Свойства титаната алюминия

Титанат алюминия, как и большинство минералов, характеризуется промежуточным ионно-ковалентным типом химической связи. Конфигурация электронов, образующих химическую связь в титанате алюминия, соответствует d2sp3-гибридизации.

Химические свойства Al2TiO5 представлены в таблице 1[7].

Таблица 1 - Растворимость титаната алюминия в различных кислотах

Растворитель

Растворимость,%

На холоду

При 100°С

Концентрированные кислоты:

Н24

НCl

HNO3

1,14

0,92

0,80

62,9

2,08

1,84

10% раствор Н24

0,40

1,82

10% раствор НCl

0,60

1,86

10% раствор НNО3

0,88

0,98

Концентрированная NaОН

0,76

-

10% раствор NaОН

0,66

0,98

Титанат алюминия - это материал с близким к нулю коэффициентом термического расширения.

Особенностью Al2TiO5 является свойство его внутренней структуры - анизотропия теплового расширения вдоль кристаллографических осей.

Приводимые данные о величинах к.т.р. титаната алюминия в направлении каждой из кристаллографических осей (табл.2) свидетельствуют о значительном расширении монокристаллов вдоль осей аив, тогда как в направлении оси с имеет место сжатие.

Таблица 2- Коэффициенты термического расширения титаната алюминия вдоль кристаллографических осей, К-1*106

Кристаллографические оси

а

в

с

+11,8

+8,3

+11,0

+10,3

+19,4

+19,7

+18,5

+20,1

-2,6

-2,8

-2,5

-2,9

Столь значительная анизотропия теплового расширения монокристаллов приводит к возникновению больших внутренних напряжений в кристаллической решетке при охлаждении материала. Если эти напряжения превосходят предельное значение, то при дальнейшем охлаждении (примерно с 600°С) появляются микротрещины, преимущественно по осям аив. Непосредственное доказательство трещинообразования при 600°С было получено с помощью акустической эмиссии. При повторном разогреве вследствие эффекта "залечивания" трещин расширение во внешней части образца в первый момент не проявляется. Процесс охлаждения сопровождается большой усадкой, приводящей к возникновению внутренних напряжений и повторному растрескиванию материала[8].

При нагреве поликристаллического порошка Al2TiO5 до 1400°С происходит спекание частиц, которое обеспечивает изменение ориентации кристаллической решётки. После охлаждения анизотропных кристаллов титаната алюминия возникает сложная система внутренних напряжений. Указанные напряжения влияют на термическое расширение, которое после охлаждения становится термическим сжатием [1].

Вдоль тех направлений в кристалле, которые испытывают сжимающее усилия, развиваются растягивающие напряжения, стремящиеся предотвратить сжатие. Вдоль направлений, подвергающихся слабому сжатию, возникает напряжения, которые стремятся увеличить сжатие. Таким образом материал ведет себя как будто изотропен и имеет коэффициент термического расширения, равный 9.5*10-6 К-1.

Ситуация меняется, как только напряжения превышают прочность химических связей, и происходит их разрыв. При устранении многих напряжений постепенно возрастает вклад наименьшего (отрицательного) коэффициента теплового расширения. В результате формируется структура «цепей», состоящих из кристаллов, ориентированных так, что их оси с становятся параллельным направлению цепи. Единственным жестким соединением в структуре в каждом направлении является соединение через цепи в этом направлении. Поэтому коэффициент теплового расширения Al2TiO5 из трех к.т.р. вдоль осей а,в и с, а определяется по существу отрицательной величиной коэффициента теплового расширения вдоль оси с.

Аномалии теплового расширения титаната алюминия объясняются скручиванием цепочек из октаэдров [Ti4+О6] в определенном температурном интервале, а также силой связи ионов в решетке. Чстичное замещение Ti4+(0,68 нм) в кристаллической решетке аносовита меньшими ионами Al3+ (0,57 нм) приводит к усилению связи Ме - О и, как следствие, к понижению теплового расширения. Внедрение в решетку ионов Fе3+ (0,67нм) или еще больших ионов Mg2+ (0.76 нм) ослабляет связь между ионами и повышает тепловое расширение [8].

Делись добром ;)