Мазалов Ю.А., Судник Л.В., Федотов А.В., Берш А.В., Новожилов А.О.

В настоящее время большинство областей естественных наук связано с миром объектов, объединенных определением «нано». Как известно наночастицы обладают повышенной поверхностной энергией, неупорядоченной структурой и поэтому проявляют большую активность в различных физико-химических процессах, Использование наноструктурного бемита открывает еще один из путей повышения активности при повышенных температурах – структурная перестройка бемита и промежуточных фаз оксида алюминия, что приводит к появлению структур далеких от состояния равновесия.

Целью работы является исследование применения наноструктурного бемита в области технической керамики, адсорбции вредных веществ из стоков сельскохозяйственных производств, триботехнике и создания покрытий.

В работе использовали наноструктурные порошки бемита, полученные гидротермальным синтезом из промышленных порошков алюминия марок АСД-4 и АСД-6. Размер кристаллов (определяли рентгеновским методом) составлял 30-60 нм, преимущественный размер агрегатов первичных частиц – 1-3 мкм.

Для плотной керамики порошок бемита прокаливали для получения активных к спеканию безводных форм оксида алюминия. На основании изучения влияния основных технологических параметров формования заготовки и режимов обжига установлено, что в результате добавки бемита температура спекания для получения плотной керамики (95-98 % от теоретической) снижается на 100-150ºС, прочность на изгиб увеличивается на 35 %, а коэффициент трещиностойкости К1с - на 25 %.

Значительное снижение температуры спекания может быть достигнуто за счет использования добавок, которые выбирали исходя из анализа свойств оксидов и оценки температуры появления жидкой фазы. Прокаленный при 1000ºС бемит смешивали с выбранными добавками в системах: MgO – SiC, MgO - SiO₂, MgO - TiO₂.Установлено, что керамические материалы, полученные из наноструктурного бемита с добавками спекаются до нулевой плотности при пониженных температурах, не выше 1400-1550ºС. Керамика характеризуется мелкокристаллической структурой, имеет высокие диэлектрические свойства. Стеклофаза практически отсутствовала. Шероховатость поверхности после полировки Ra составляла 0,02 – 0,04 мкм, что позволяет рекомендовать разработанные материалы для изготовления высококачественных подложек микросхем.

Для получения пористой керамики наноструктурный бемит вводили в порошок оксида алюминия без предварительной термообработки. Для рассматриваемого материала дискретными или армирующими компонентами являются глобулы из наноструктурированных частиц оксида алюминия. Уровни отличаются размерами структурообразующих элементов: зерен матрицы глинозема или корунда 5-20 мкм, микроглобул из оксида алюминия 0,5-5 мкм, частиц оксида алюминия до 0,01 мкм. Изучение особенностей кинетики разрушения показало, что при пористости выше 75 % наблюдается расслоение композита, при пористости в пределах 20-35 % предел прочности при циклических нагрузках возрастает в 2,7 раз, а затем снижается. Повышение прочности связано с накоплением повреждений (разветвлением) в микрообъемах композита и на перемычках между порами.

Карборундовые лещадки готовили на корундо-шпинелидной связке. Применение бемита, взамен технического глинозема марки ГН-1, в карборундовых огнеупорах на корундо-шпинелидной связке позволило снизить температуру синтеза связки (около 300ºС), снизить температуру обжига керамики (на 100-150ºС), резко увеличить прочность (с15-18 МПа до 58-62 МПа на изгиб).

Триботехнические испытания проводили в масле с использованием 30-ти препаратов, в том числе содержащих добавку наноструктурного бемита. Установлено, что наиболее эффективны многокомпонентные препараты, содержащие, кроме смеси минералов, металлоорганическую добавку (ПАВ). Добавка ПАВ и ультразвуковая обработка улучшает триботехнические характеристики (снижается коэффициент трения и температура в зоне сопряжений, уменьшается износ). Определены наиболее эффективные препараты, снижающие коэффициент трения с 0,062 (чистое масло) до 0,044, расширяющие диапазон нагрузок в 3 раз, снижающие износ в 5 – 6 раз (Стрибойл и добавка нанокристаллического бемита).

В результате работы установлено, что среди испытанных трибопрепаратов эффективными, для разных этапов жизни агрегатов, являются препараты фирмы «Wagner», ИГСХА, Стрибойл и РВД. Добавка наноструктурного бемита повышает эффективность препаратов.

Исследование адсорбционных свойств бемита проводили на стоках сельскохозяйственных производств после применения коагулянта и флокулянта. Установлено, что бемит обладает адсорбционными свойствами по отношению к органическим веществам и солям стоков живодноводческих и фармацевтических предприятий. 10 г бемита на 100 мл стока крупного рогатого скота обеспечивает снижение содержания органических веществ до значений допускающих сброс в канализацию (норма 285 мгО₂/л). При этом с увеличением концентрации, дисперсности и времени смешения адсорбция органических веществ и солей возрастает.

Опробовали обработку стока с бемитом в ультразвуковой ванне. Величина ХПК уменьшилась на 20%, что обусловлено дезагрегацией порошка и возрастанием в результате этого его удельной поверхности.

Обезвреживание стоков, в том числе и продуктов адсорбции, проводили на установке сверхкритического водного окисления (СКВО), разработанной в ГОСНИТИ. Процесс заключается в выдержке испытуемой жидкости и суспензии в течение 30 – 120 с при температуре и давлении выше параметров критического состояния воды, т.е. при 22,5 – 30 МПа и 400 – 700 ºС.

Установлено, что в условиях СКВО происходит практически полное окисление органических веществ как в исходных стоках, так и на поверхности бемита и регенерация адсорбционной способности порошка. Помимо решения экологических задач тепло, выделяющееся на установке СКВО в процессе окисления органических веществ, может быть использовано в гибридных энерготехнологических схемах, что повышает экономическую эффективность предлагаемой технологии.

Нанострутурный бемит использовали для создания покрытий, полученных методами вакуумного, динамического и газотермического напыления. Установлено, что применение бемита повышает твердость, вязкость разрушения и коррозионную стойкость покрытия.

В составе противопригарных покрытий литейных форм добавка наноструктурного бемита (1-5 % масс.) повышает седиментационную устойчивостью суспензии, увеличивает до 2-х раз прочность покрытия на истирание и сжатие. При этом до 3-х раз возрастает прочность и после термического удара.

Таким образом применение наноструктурного бемита повышает активность протекания различных физико-химических процессов, что важно для их технологического осуществления и повышает уровень свойств конечных изделий.