Фундаментальное материаловедение

Влияние оксида алюминия на свойства базальтовых непрерывных волокон (БНВ)
Гутников С.И.
аспирант
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Москва, Россия
E–mail: gutnikov@gmail.com
Базальты – основные каменные породы вулканического происхождения –
практически повсеместно распространены в земной коре. Основными
породообразующими минералами горных пород являются полевые шпаты (альбит,
анортит), пироксены (диопсид, авгит), иногда магнетит. Содержание основных оксидов
в исследованных горных породах находится в следующих пределах в масс. %: 43-58%
SiO2, 1-2% TiO2, 11-20% Al2O3, 8-16% FeO+Fe2O3, 4-12% MgO, 7-13% CaO, 2-4 % Na2O +
K2O. Доступность и дешевизна позволили использовать базальты для производства
минеральной ваты. В отличие от штапельного волокна процесс производства
базальтового непрерывного волокна (БНВ) изучен недостаточно. Одной из ключевых
проблем является выбор сырья. Базальты не всех месторождений пригодны для
получения БНВ, поэтому вопрос изучения влияния состава на свойства БНВ является
актуальным.
В работе показано влияние оксида алюминия на фундаментальные (структура,
кристаллизация) и прикладные (температурный интервал выработки, прочность,
химическая стойкость) свойства базальтовых стекол и волокон на их основе.
В ходе работы получены минеральные стекла составов указанных в таблице 1. Из
стекол на лабораторной установке получены непрерывные волокна.
Таблица 1. Химический состав полученных волокон и стекол.
Состав, масс. %
Название
Na2O K2O MgO Al2O3 SiO2 CaO TiO2 Fe2O3
Состав 4 3,19 2,31 2,3 24,4 44,8 10,48 1,31 10,29
Состав 3 (природный
3,32 2,4 2,39 21,4 46,6 10,9 1,36 10,7
базальт)
Состав 2 3,55 2,57 2,56 16 49,84 11,66 1,45 11,44
Состав 1 3,81 2,75 2,74 10 53,44 12,5 1,56 12,27
Методами колебательной спектроскопии и рентгенофазового анализа показано,
что с увеличением содержания оксида алюминия реализуется увеличение связности
структуры силикатных стекол и волокон. В волокнах с пониженным содержанием
оксида алюминия в стекле присутствуют преимущественно структурные элементы с
немостиковыми атомами кислорода (цепи, изолированные тетраэдры SiO4 4- .
Установлено, что большая часть структуры минеральных стекол и волокон с высоким
содержанием оксида алюминия состоит из трехмерных сеток из на основе кремний- и
алюминийкислородных тетраэдров.
Результаты исследования кристаллизационных свойств методами ДСК и РФА
согласуются с результатами полученными методами колебательной спектроскопии..
Меотдом РФА волокон и стекол отожженных при температурах 700, 800, 900, 1000 °С на
воздухе в течении 6, 12 и 24 часов показано, что наиболее устойчивыми к
кристаллизации являются волокна и стекла составов 3 и 4, в которых на первом этапе
кристаллизуется магнетит, который выступает в качестве зародышей, на которых
кристаллизуется минерал авгит. Отжиг при температурах выше 900 °С сопровождается
кристаллизацией анортита в качестве основной фазы. В случае волокон с пониженным
содержанием оксида алюминия, образование анортита не происходит. В этом случае
основным продуктом кристаллизации при всех указанны температурах является авгит.
Кроме того в работе, показано, что с увеличением содержания оксида алюминия
наблюдается улучшение механических свойств волокон.