Файл: Жунина, Л. А. Пироксеновые ситаллы.pdf

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 21.10.2024

Просмотров: 112

Скачиваний: 0

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

Л. А. Жунина, М. И. Кузьменков, В. Н. Яглов

ІШРОКСВШЫЕ

СИТАЛЛЫ

Л. А. Жунина, М. И. Кузьменков, В. Н.'Яглов

ПИРОКСЕНОВЫЕ

СИТАЛЛЫ

Под редакцией доктора технических наук

профессора Н. М. П а в л у ш к и н а

Издательство БГУ им. В. И. Ленина. Минск 1974

 

Гос. публичная

 

Щ у ч н о - т ѳ х н .'іч е с ^ я

3/039

библиотека С--

ЭКЗЕМПЛЯР

ЧИТАЛЬНОГО ЗАЛА j

 

 

'w-АШО

Рецензент — кандидат технических наук Л. Г. Ходский

•/ ■<ä 1

5

Жунина Л. А., Кузьменков М. И., Яглов В. Н.

Ж89 Пироксеновые ситаллы. Мн.,

Издчво

БГУ, 1974.

224 с. с илл. в перепл.

 

 

Книга обобщает опыт работы коллектива

авторов

в области ком­

плексного исследования, синтеза и разработки рациональной техноло­

гии производства нового вида стеклокристаллических

материалов — пи-

роксеновых ситаллов — на основе недефицитного сырья.

Излагается методика современных способов исследования стекол

и ситаллов; рассматриваются зависимости изменения физико-химичес­ ких свойств стекол и продуктов их кристаллизации от состава, вида н количества стимулятора, условий, синтеза, термообработки и т. д. Приводятся технологические и физико-химические свойства пироксеновых ситаллов, результаты их опытно-промышленной апробации и реко­ мендуемые области использования ситаллов в народном хозяйстве.

Книга рассчитана на научных, инженерно-технических работников,

занятых в области исследования, синтеза и промышленного производ­ ства различных ситаллов и шлакоситаллов.

6П7.3

ж31405—028 4 8 -7 3

М317—74

Издательство БГУ им. В. И. Ленина, Минск, 1974 г.


ПРЕДИСЛОВИЕ

Развитие науки и техники требует создания новых синтетических материалов, обладающих комплексом свойств, диктуемых условиями эссплуатации материала. К числу таких материалов относятся ситал- іы и шлакосяталлы.

Стекло представляет собой полупродукт для получения ситалла и шлако-ситалла и отличается огромным многообразием составов и свойств благодаря практической неограниченности сочетаний между видами и концентрациями составляющих его компонентов. (В насто­ ящее время для синтеза стекла используется более 60 элементов Мен­ делеевской системы.) Свойства ситаллов и шлакоситаллов, опреде­ ляемые видом и количеством кристаллической фазы, размерами, рас­ пределением и габитусом кристаллов, составом и количеством оста­

точного стекла, структурой и другими

факторами,

могут изменяться

в широком диапазоне.

 

 

Эксплуатационные характеристики

ситаллов

и шлакоситаллов

свидетельствуют о том, что они по свойствам превосходят многие технические материалы и в ряде случаев являются заменителями ме­ таллов и сплавов.

Несмотря на то что технические ситаллы и шлакоситаллы по­ лучены в течение последнего десятилетия, они нашли применение в радиотехнике, электронике, авиационной и атомной технике, ракето-

исамолетостроении, приборостроении, оптике, строительстве и быту.

Впоследнее время большое внимание уделяется получению

ситаллов на основе недефицитного природного сырья и металлургичес­ ких шлаков. Качество ситаллов, полученных на основе недефицитно­ го сырья, в ряде случаев превосходят качество материалов, изготов­ ленных из синтетического дорогостоящего сырья. Большое многооб­ разие петрургического сырья, его широкая распространенность в природе, благоприятные условия залегания, дешевизна создают пред­ посылки для синтеза экономически выгодных ситаллов широкого диа­ пазона составов, свойств и назначений, что открывает перспективу для их массового внедрения в различные области народного хозяй­ ства.

Опыт производства каменного литья и петроситаллов показал це­ лесообразность получения в ситаллах и шлакоситаллах пироксено-

3


вой кристаллической фазы в качестве основной и ведущей. Высокие физико-механические, химические и диэлектрические свойства пироксеновых минералов и технических продуктов с пироксеновой фазой свидетельствуют о том, что из большого многообразия ситаллов, ко­ торое может быть получено из различных видов недефицитного сырья, целесообразно синтезировать пироксеновые ситаллы.

Расплавы пироксеновых составов могут быть получены при от­ носительно невысоких температурах (1400—14і50°С), а в результате активной кристаллизационной способности, обусловленной кристал­ лохимическими особенностями пироксенов, возможно ускоренное про­ текание процесса кристаллизации.

Постоянно присутствующие в петрургическом сырье тугоплавкие микроэлементы и их соединения (акцессорные минералы) катализи­ руют процесс кристаллизации, так как величина свободной энергии, затрачиваемой на образование кристаллического зародыша на под­ ложке, значительно меньше энергии, требуемой на его образование в свободном пространстве.

Пироксеновые составы отличаются высоким содержанием окис­ лов, которые вызывают сокращение температурного интервала выработочной вязкости и создают предпосылки для быстрого формования изделия на стеклоформующих машинах и использования центробеж­ ного способа формования. В результате технологический процесс получения пироксеновых ситаллов на всех этапах производственного цикла может быть значительно интенсифицирован.

Вопрос синтеза пироксеновых ситаллов на основе недефицитно-

гоі сырья систематически не изучен. Отсутствует теоретический ана­ лиз пироисенообразования и формирования пироксеновой фазы, на­

чиная от твердофазовых реакций в шихтах и кончая структурными превращениями в расплаве и кристаллизующемся стекле.

В настоящей книге освещены следующие вопросы: взаимосвязь между особенностями диаграммы состояния, структурными и фазовы­ ми превращениями, наблюдаемыми в нагреваемом стекле и продук­ тах его кристаллизации; взаимосвязь между процессами, протекаю­ щими в шихте, расплаве и кристаллизующемся стекле; целесообраз­ ность использования термодинамических расчетов для прогнозиро­ вания вероятности протекания твердофазовых реакций в нагреваемой шихте; целесообразность использования ЭВМ «Минск-22» для про­ ектирования составов ситаллов; изменение комплекса физико-хими­ ческих свойств стекол и продуктов их кристаллизации в связи с ус­ ловиями их синтеза, термообработки и структурными превращениями; роль окислительно-восстановительных условий синтеза стекла в про­ цессе его кристаллизации; пути разработки новых видов пироксено­ вых ситаллов и шлакоситаллов на основе недефицитного сырья и шлаков.


Г л а в а

ХАРАКТЕРИСТИКА ПИРОКСЕНОВ

Пироксены представляют собой обширную группу по­ родообразующих минералов цепочечной структуры, кото­ рая вместе с родственными им амфиболами составляет 16,8% земной коры [1]. Они являются наиболее важной группой породообразующих магнезиальножелезистых си­ ликатов. Встречаются пироксены в качестве устойчивых фаз почти во всех магматичеоких, во многих региональ­ но- и контактно-метаморфизованных породах различного состава [2]. Широкое распространение пироксенов в при­ роде свидетельствует об их высокой химической устойчи­ вости к атмосферным условиям, большой механической прочности (твердость по шкале Мооса 5—5,5), достаточ­ но высокой жаропрочности [3].

1. Структура пироксенов

Структура пироксенов впервые была изучена Уорре­ ном и Бреггом [4] на примере диопсида. Установлено, что существенной особенностью структуры .всех пироксе­ нов является сочленение друг с другом тетраэдров Si04, образующих непрерывные цепочки типа [Si03]2„ (рис. 1) [5, 6]. Период повторяемости по длине цепочки

О

приблизительно равен 5,3 А, что и определяет один из параметров элементарной ячейки. В боковом направле­ нии цепочки моноклинных пироксенов соединяются кати­ онами (Ca, Na, Mg, Fe и др.) и могут по-разному распо­ лагаться относительно друг друга. Различие во взаимном расположении цепочек обусловливает существование об­ ширной группы моноклинных пироксенов. Эти пироксены могут содержать более 25 мол.% CaSi03 и MgSi03 и в структурном отношении являются аналогами диопсида.

Группы моноклинных пироксенов, обладая сложной структурой, различаются, согласно данным работы [7],

5

а

8

е

 

ъІЛЛѵ кЛх/

Рис. 1. Идеализированная схема отдельной пироксеновой цепочки [SiOs]^- в проекциях:

а — на плоскостьI іоо }> ^

в направлении Z\

в — в направлении У; г — в пер­

 

спективе [21

 

0 — атомы

кремния; О ■— атомы кислорода

следующими структурными особенностями: взаимным смещением силикатных цепочек, искажением этих цепо­ чек, смещением ионов металлов. При искажении сили­ катных цепочек пространственная ориентация сохраняет­ ся,. однако при внедрении двухвалентных ионов происхо­ дит смещение ионов металлов, что приводит в конечном счете к образованию цепочек двух видов, изменяющих пространственную ориентацию. В результате такого про­ странственного смещения моноклинные пироксены ста­ новятся неустойчивыми при высоких температурах и пе­ реходят в ромбические с выделением в качестве продукта распада твердого раствора диопсидовой фазы, обогащен­ ной кальцием-

Отмечено [8], что в диопсиде в положении М2 (рис. 2) преобладают ионы Са2+, а в положении Мі— ионы Fe2+ или Mg2+. Ионы Mg2+ расположены в октаэдрических положениях и находятся в координации с атомами кис­ лорода, связанными лишь с одним атомом кремния, в то время как более крупные ионы Са2+ окружены восемью атомами кислорода, два из которых принадлежат одно­ временно двум смежным тетраэдрам в цепочках. Атомы магния в основном располагаются между вершинами це­ почек [ЭЮз]2^ , тогда как атомы кальция — преимущест­

венно между основаниями тетраэдров цепочек.

6


Ъ*8,91А

C=5, 2SA

Рис. 2. Схема структуры диопсида [2]:

а«-проекция в направлении 2 ; б — проекция в направлении У

Рис. 3.

Структура пироксена и пироксеноида [9]:

а __ метасиликатная

цепочка

2_

[SiaOe|; б

с пироксеновым звеном

пироксеноидная со

звеном

[Si30 &]; в — геометрическая связь

метасиликат-

ных цепочек [Si03]^" с цепочкой из катионных октаэдров в пироксенах; г —

то же для пироксеноида; д — торцовые сечения с лентами из октаэдров в не­ четных слоях и цепочками из Si - тетраэдров в четных для пироксена MgSi03; е — то же для пироксеноида

Для пироксенов характерна плотная упаковка ато­ мов кислорода в четырех слоях, в которых располагают­ ся, чередуясь, атомы Ca, Mg, Fe в октаэдрах, атомы Si—

втетраэдрах [9, 10]. Можно считать основным структур­ ным мотивом бесконечные цепочки из Mg (Fe)-октаэд­ ров, по бокам «продолженные» Са-октаэдрами, к кото­ рым присоединяются бесконечные кремнеземные цепочки

впараллельном положении. Крупные катионы Са2+ Na + деформируют свои полиэдры и доводят координа­ ционное число до 8, в связи с чем цепочка [ЭЮз]^“ рас­

прямляется (рис. 3,а). В периоде-звене пироксеновой це­ почки два Са-октаэдра связаны с двумя Si-тэтраэдрами, расположенными по разные стороны от оси цепочки.

Пироксеноид (волластонит СаКіОз) имеет аналогич­ ную с пироксеном кристаллохимическую природу. В зве­

не пироксеноидіной цепочки на два октаэдра приходится три Si-тетраэдра, два из которых смотрят в одну сторону, а третий — в другую (рис. 3,6). В пироксеноиде все ок­ таэдры заполнены атомами кальция, которые не приспо­

8