Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
ВИЗНАЧЕННЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО КОЕФІЦІЄНТА ЛІНІЙНОГО РОЗШИРЕННЯ СКЛА І КЕРАМІКИ ДИЛАТОМЕТРИЧНИМ МЕТОДОМ
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Національний університет Львівська політехніка
Інститут:
Не вказано
Факультет:
Не вказано
Кафедра:
Не вказано
Інформація про роботу
Рік:
2012
Тип роботи:
Лабораторна робота
Предмет:
Технологія скляних виробів
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”
Кафедра ХТС
Лабораторна робота №2
на тему:
“ВИЗНАЧЕННЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО КОЕФІЦІЄНТА
ЛІНІЙНОГО РОЗШИРЕННЯ СКЛА І КЕРАМІКИ
ДИЛАТОМЕТРИЧНИМ МЕТОДОМ”
Метою даної роботи є визначення теплового коефіцієнта лінійного розширення (ТКЛР) скла і кераміки дилатометричним методом.
1. Теоретична частина
Термічне розширення – одна з найважливіших властивостей матеріалів.
Скло та кераміка, як і більшість матеріалів, під час нагрівання змінюють свої лінійні розміри та об‘єм.
Визначення точної величини температурного коефіцієнта лінійного розширення (ТКЛР) скляних і керамічних виробів має велике практичне значення. У таких областях, як електровакуумна і емалювальна промисловості, виробництво накладних скляних виробів, полив‘яної кераміки і взагалі там, де застосовуються спаї або міцні з‘єднання різних видів скла з металами, керамікою та іншими матеріалами, без знання температурних залежностей їх розширення неможливо забезпечити конструювання, виробництво і експлуатацію таких виробів. Надійність спаїв скла з іншими матеріалами визначається тим, наскільки близькі значення ТКЛР з‘єднаних матеріалів. Враховуючи, що ТКЛР в значній мірі визначає термічну стійкість скла, він має важливе значення у тих випадках, коли скляні вироби в процесі експлуатації слід раптово охолоджувати чи нагрівати. Крім цього, температурна залежність розширення скла є важливою величиною для характеристики його структури.
Температурний коефіцієнт лінійного розширення скла залежить від хімічного складу, “теплового минулого” і температурного інтервалу нагріву. ТКЛР кварцового скла складає 5·10-7 град-1. При введенні оксидів-модифікаторів його величина зростає, для листового скла вона складає 90·10-7 град-1.
У бінарних лужно-силікатних склах при підвищенні молярної долі лужного компоненту від 0 до 33 ТКЛР збільшується, що обумовлюється зменшенням ступеня зв’язаності кремнекисневого каркасу, а також утворенням в системі менш міцних зв’язків Si-O-Me порівняно з Si-O-Si. При збільшенні іонного радіусу катіона лужного металу в ряді Li-Na-K ТКЛР зростає. Двовалентні іони лужноземельних металів у бінарних системах збільшують ТКЛР в значно меншій мірі. За ефективністю збільшення ТКЛР лужноземельні метали розташовуються в ряд Be→Mg→Ca→Ba
При введенні в скло багатозарядних іонів типу Fe (III), La, Ge, B, Al, Zr ТКЛР зменшується. Проте вплив цих іонів на ТКЛР безлужного скла може бути прямопротилежним.
У деяких випадках ТКЛР залежить від координаційного стану окремих іонів (зокрема, іонів бору, алюмінію).
Для визначення ТКЛР використовують як прямі (дилатометричний), так і побічні (подвійної нитки, «кільця», поляризаційно-оптичний) методи.
Температурний коефіцієнт лінійного розширення визначають дилатометричним методом згідно з ГОСТ 10978-83. У більшості лабораторій використовують кварцові дилатометри типу ДКВ.
Метод подвійної нитки широко використовують на заводах електровакуумного скла для поточного контролю ТКЛР (ОСТ 16.0.800.356-76), а «кільця» – на заводах скляного посуду.
Знання точної величини термічного розширення керамічних і вогнетривких матеріалів має велике значення, зокрема, при виборі поливи для керамічних мас, для оцінки термічної стійкості, для розрахунку пічних конструкцій.
Міцне зчеплення поливи з керамічним каменем не може бути досягнуте одним прилипанням. Будь-яка полива в момент топлення повинна вступати у взаємодію з керамічним підкладом, утворюючи перехідний шар, який і забезпечує їх з’єднання. Однак утворення перехідного шару недостатнє для утворення міцного зчеплення між поливою і черепком. Часто полива відшаровується від черепка або покривається сіткою волосяних тріщин. Обидва дефекти викликані невідповідністю коефіцієнтів термічного розширення поливи (ТКЛРп) і керамічного каменя (ТКЛРк). Якщо ТКЛРк ( ТКЛРп, то під час охолодження керамічний камінь стискається менше, ніж полива, внаслідок чого вона знаходиться в стані напруг розтягу і розривається в багатьох місцях – з‘являється сітка дрібних тріщин – “цек”. Сітка грубих тріщин вказує на незначну невідповідність ТКЛРк і ТКЛРп, дрібних – на велику відмінність між цими величинами.
Величина ТКЛР поливи і керамічного каменя залежить від їх складу, тонини помелу компонентів, температури і тривалості випалу, характеру пічного середовища. Необхідно відзначити, що підібрати ТКЛР поливи до щільного керамічного каменю легше, ніж до пористого.
Зняттю напруг в поливі сприяють більш тонкий помел кварцу, заміна глини каоліном, кварцу – трепелом.
Глина і тонкоподрібнений СаСО3 (крейда, вапняк) підвищують ТКЛР керамічного каменю, МgCO3 – понижує. Підвищений вміст кварцу з одночасним пониженням вмісту польового шпату і глинистої складової підвищує ТКЛР керамічного каменю. Оксиди B2O3 і ZnO зменшують ТКЛР поливи.
Термічне розширення силікатних матеріалів характеризується такими показниками.
1. Середній коефіцієнт лінійного термічного розширення (град-1):
(1)
де l0, lt – довжина тіла відповідно при початковій і кінцевій максимальній температурах; t0, t – відповідні температури початку та кінця нагрівання.
Абсолютні значення коефіцієнта лінійного розширення відповідають величині відносного збільшення лінійних розмірів матеріалу під час нагрівання на 1(С.
2. Істинний коефіцієнт лінійного термічного розширення характеризує значення коефіцієнту розширення при конкретній температурі під час нагрівання (град-1):
(2)
– похідна довжини за температурою.
Для скла та ситалів визначають лише середній температурний коефіцієнт лінійного розширення в заданому температурному інтервалі. Як правило, цей температурний інтервал становить 20…300°С або 20…400°С.
Для характеристики властивостей керамічних виробів важливі не тільки середній коефіцієнт термічного розширення чи величина цього розширення за даної температури, але й рівномірність процесу розширення на окремих температурних ділянках. Для характеристики рівномірності розширення користуються величиною дійсного коефіцієнта термічного розширення в окремих температурних інтервалах. Нерівномірність проходження процесу термічного розширення обумовлюється поліморфними перетвореннями окремих кристалічних модифікацій, що входять в склад матеріалу. Дійсний коефіцієнт розширення визначається за тангенсом кута нахилу кривої розширення в даному температурному інтервалі до осі абсцис.
Середні значення температурних коефіцієнтів лінійного розширення окремих силікатних матеріалів наведено в табл.1.
Таблиця 1
Середні значення коефіцієнту лінійного термічного розширення
Назва матеріалу
ТКЛР(107, град-1
Скло:
кварцове
хіміко-лабораторне
листове віконне
свинцеве (кришталь)
5,6
88
95
120
Технічні ситали:
шлакоситал
кераміка стеатитова
65...85
81,5...99
Фарфор:
твердий
м‘який
господарського призначення
55...70
55...62
41...50
Фаянс
твердий
глиняний
вапняковий
70...80
88...98
50...60
Напівфарфор
40...50
Майоліка
70...91
Вогнетриви:
каолінові
шамотні
мулітові
напівкислі
муліто-корундові
динасові
45...55
45...60
55...58
70...90
70...75
115...130
Технічна кераміка:
цирконієва
периклазова
берилієва
корундова
шпінельна
мулітова
кварцова
цирконова
карборундова
кордієритова
сподуменова
90...100
130...150
95
80...85
86
53
5
42
47
10
15
Сталь
110...119
Мідь
170
Алюміній
255
Свинець
300
2. Експериментальна частина
2.1. Методика визначення ТКЛР силікатних матеріалів за допомогою кварцового дилатометра
У приладах для визначення температурного коефіцієнта лінійного розширення використовуються принципи, що в більшості випадків зводяться до спостереження за зміною під час нагрівання довжини досліджуваного зразка. Найпростішим в цьому плані є кварцовий дилатометр.
2.2. Схема кварцового дилатометра
/
Конструкцію кварцового дилатометра типу ДКВ (дилатометр кварцовий вертикальний) наведено на рис. 1.
Вертикальний кварцовий дилатометр складається з електричної трубчастої печі 3, де знаходиться кварцовий блок, до якого входять кварцові трубка 4 та стрижень 5. Досліджуваний зразок 7 встановлюють у кварцову трубку і закріплюють між кварцовими дисками 8. Видовження зразка передається через кварцовий стрижень на індикатор 1. У верхній частині печі знаходиться водяний холодильник 2, що служить нерухомою базою, за відношенням до якої вимірюється лінійне розширення зразка. Температура зразка вимірюється термопарою 6, гарячий кінець якої встановлений безпосередньо біля зразка.
Рис. 1. Схема кварцового дилатометра:
1 – індикатор; 2 – водяний холодильник; 3 – електрична трубчаста піч; 4 – кварцова трубка; 5 – стрижень; 6 – термопара; 7 – досліджуваний зразок; 8 – кварцові диски
2.3. Підготовка зразків
2.3.1. Підготовка зразків із скла
Зразки для випробування повинні мати форму циліндра довжиною (50±2) мм і діаметром (4,0±0,4) мм (при необхідності допускаються зразки іншої форми). Перед випробуванням зразки відпалюють протягом 30 хв за температури, яка повинна бути на 20…30(С нижчою від температури склування. Після термічної обробки краї взірця шліфують так, щоб вони були перпендикулярними до його осі.
2.3.2. Підготовка зразків із кераміки
Зразки для випробування повинні мати форму циліндра довжиною (50±2) мм і діаметром 3,5…5,0 мм. Із глиняної маси з нормальною вологістю формують три зразки-джгути діаметром 5 мм і довжиною 55 мм. Форма для виготовлення зразка має довжину 80 мм при внутрішньому діаметрі 5 мм, довжина виштовхуючого стрижня 100 мм. Для уникнення викривлень і деформації, зразки-джгути після формування вкладають на піщану основу і сушать в нормальних умовах. Після сушіння торці джгутів вирівнюють і випалюють за необхідної температури. Випалені зразки шліфують до заданих розмірів.
2.4. Порядок визначення ТКЛР
1. Вимірюють довжину зразка мікрометром з точністю до 0,01 мм.
2. Кварцовий блок виймають з печі. Піднімають кварцовий стрижень і пінцетом вставляють зразок так, щоб його вісь була на одній осі з кварцовим стрижнем.
3. Кварцовий блок разом із досліджуваним зразком опускають у піч.
4. Стрілку індикатора з ціною поділки 0,001 мм виставлять у нульове положення.
5. Включають воду для охолодження вимірювальної системи і далі трубчастої печі.
6. Дилатометр вмикають в електромережу. Швидкість нагрівання не повинна перевищувати 5°С/хв. Покази індикатора записують через кожні 15...20°С.
7. Після проведення вимірювань дилатометр вимикають і перекривають подачу води. Максимальна температура нагрівання повинна становити не більше 650°С для скляних виробів і 800…850°С для керамічних.
2.5. Результати експерименту
Одержані результати заносять в табл. 2.
Таблиця 2
№ з/п
Час нагрівання
Характеристика і довжина взірця lо, мм
Температура
Покази індикатора, lі, мкм
холодних кінців термопари tх.к., °С
печі tn, °С
взірця
tх.к. + tn, °С
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
15
51,9
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200
210
220
230
240
250
260
270
280
290
300
310
320
330
340
350
360
370
380
390
400
410
420
430
440
450
460
470
480
490
500
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200
210
220
230
240
250
260
270
280
290
300
310
320
330
340
350
360
370
380
390
400
410
420
430
440
450
460
470
480
490
500
510
520
8*10-3
16*10-3
18*10-3
29*10-3
34*10-3
40*10-3
48*10-3
53*10-3
60*10-3
67*10-3
72*10-3
79*10-3
84*10-3
89*10-3
98*10-3
103*10-3
110*10-3
116*10-3
123*10-3
130*10-3
136*10-3
142*10-3
147*10-3
155*10-3
162*10-3
170*10-3
176*10-3
183*10-3
190*10-3
196*10-3
202*10-3
210*10-3
216*10-3
223*10-3
230*10-3
237*10-3
246*10-3
252*10-3
261*10-3
267*10-3
272*10-3
286*10-3
292*10-3
304*10-3
320*10-3
330*10-3
345*10-3
359*10-3
360*10-3
350*10-3
У координатах будують графік видовження, який має вигляд рис. 2.
/
Рис. 2. Дилатометрична крива розширення скла:
tн.в.- нижня температура відпалу, tg – температура склування, tв.в. – верхня температура відпалу, tп – температура пом‘якшення під навантаженням
Температурний коефіцієнт лінійного розширення в інтервалі температур t1–t2 визначають за формулою, град-1:
,
де l1, l2 – видовження взірця за температури відповідно t1 і t2, мкм; l0 – довжина взірця за температури t1, мм; αкв – середнє значення ТКЛР в 1 мм кварцового скла в інтервалі температур t1–t2 (значення αкв наведено в табл. 3).
Для розрахунку середнього значення ТКЛР кварцового скла в будь-якому інтервалі температур t1–t2 необхідно різницю значень відносного видовження lt2–l t1 поділити на відповідний інтервал температур (t1–t2).
Крім визначення α по дилатометричній кривій з достатньою надійністю можна визначити:
1) температуру склування tg, яка відповідає в’язкості 1012 Па·с (цю температуру визначають за точкою перетину прямих, що продовжують прямолінійні ділянки дилатометричної кривої);
2) температуру початку деформації tп, яка відповідає температурі максимуму на дилатометричній кривій і в’язкості 1010...1011 Па·с;
3) “нижню температуру відпалу” tн.в., що відповідає в’язкості 1013,5 Па·с і приблизно температурі, при якій прямолінійна ділянка дилатометричної кривої переходить у криву, що відповідає границі твердого стану;
4) “верхню температуру відпалу” tв.в., що приблизно відповідає точці, при якій крива на дилатометричній залежності переходить в прямолінійну ділянку (рис. 2).
Таблиця 3
Температурний коефіцієнт лінійного розширення кварцового скла
Інтервал температур, (С
Середній температурний коефіцієнт лінійного розширення
α · 107 , град-1
100-200
6,3
200-300
6,1
300-400
5,6
400-500
5,0
500-600
4,9
600-700
3,8
700-800
3,0
20-100
5,8
20-200
5,9
20-300
5,9
20-400
5,8
20-500
5,7
20-600
5,5
20-700
5,3
20-800
5,0
На основі отриманих даних будується крива ∆l/l0 від температури.
=
0,183
15570
+ 5,6∗10=1,23∗10
Висновок: на цій лабораторній роботі ми визначели тепловий коефіцієнт лінійного розширення (ТКЛР) скла і кераміки дилатометричним методом.
06.03.2013 19:03-
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора