Жоғары концентрациялы алюминий тотығы суспензиясының гидродинамикасы және жылуалмасуын фазалық құрылымдық өзгеруімен сандық зерттеу

КІРІСПЕ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 4.6
І АЛЮМИНИЙ ТОТЫҒЫНАН ЖАСАЛҒАН КЕРАМИКАЛЫҚ МАТЕРИАЛДАРДЫҢ ҚАСИЕТТЕРІ ЖӘНЕ ҚҰРЫЛЫМЫ
І.1. Механикалық және термомеханикалық қасиеттері ... ... .7.11
І.2. Жылуфизикалық қасиеттері ... ... ... ... ... ... ... ... ... .11.13
І.3. Термиялық және электрофизикалық қасиеттері ... ... ... 13.16
ІІ АЛЮМИНИЙ ТОТЫҒЫ СУСПЕНЗИЯСЫНЫҢ РЕОЛОГИЯСЫ. ФАЗАЛЫҚ АҒЫН ТЕОРИЯСЫ ЖӘНЕ ОНЫҢ ТӘЖІРИБЕЛІК НЕГІЗІ
ІІ.1. Алюминий тотығы суспензиясының реологиясы және реологиялық теңдеулері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...17.20
ІІ.2. суспензиялардың фазалық құрылымы. Теориялық негізі
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .21.22
II.3. Жылу алмасу және фазалык ағын ... ... ... ... ... ... ...22.25
III ЕСЕПТЕУ ЭКСПЕРИМЕНТ НӘТИЖЕЛЕРІ
III.1. Алюминий суспензиясының құбыр бойымен жылдамдық құраушыларының таралуы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 25.27
III.2. Құбыр бойымен ағысы кезінде алюминий суспензиясының тығыздығы мен қысымының өзгеруі ... ... ... ... ... ... ... ... ... .27.30

ҚОРЫТЫНДЫ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...44.45

Қолданылған әдебиеттер тізім ... ... ... ... ... ... ..46

Жалпы тарихи тұрғыдан керамика деп – минералдық қосымшаларды араластыра отырып, саз бен оның қоспаларынан алынатын бұйымдар мен материалдарды атайды. Адамзаттың техникалық прогреске қадам басуымен, керамикалық материалдар арасында өнеркәсіптің пайда болуы және дамуының нәтижесінде техникалық керамика класы қалыптасты. «Керамика» ұғымының ауқымы кеңейе түсті: саздан жасалатын дәстүрлі материалдардан өзге оның қатарына таза тотықтардан, карбидтерден, нитридтерден және т.б. алынатын материалдарды да жатқызатын болды. Екінші дүниежүзілік соғыстан соң техникалық керамика конденсаторларды, микросызбалардың үлгілерін, термисторлар мен варисторларды жасау үшін радиоэлектроникада, атом өнеркәсібінде, зымырандық техникада кеңінен қолданыла бастады. ХХ ғасырдың соңғы онжылдығында құрылысқа бағытталған керамикалық материалдар пайда бола бастады.
Заманауи материалдар әлемінде керамиканың алатын орны аса үлкен, өйткені, оның физикалық және химиялық қасиеттерінің ауқымы өте кең. Керамика қышқылданбайды және металдармен салыстырғанда жоғары температура аймағында аса орнықты. Керамикалық материалдардың серпімділік модулі металдарға қарағанда бір ретке жоғары. Керамикалардың арасында термиялық ұлғаю коэффициенті үлкен де, кіші де (тіпті, теріс болуы да мүмкін) материалдарды кездестіруге болады. Түрлі электрфизикалық қасиеттері бар керамикалық материалдардың да қатары көп. Олардың арасында диэлектриктер де, жартылайөткізгіштер де, өткізгіштер де (өткізгіштігі бойынша металдармен теңесетін) және асқынөткізгіштер де бар.
Қазіргі заманғы құрылыстық және инструменталды керамиканың маңызды құраушылары – алюминийдің, цирконидің тотықтары, кремнийдің, бордың, алюминий нитридтері, кремний мен бор карбидтері, олардың қатты ерітінділері мен түрлі композиттер. Керамиканың жарқын болашағы өзге материалдармен салыстырғанда оның қасиеттерінің сан алуан түрлілігімен түсіндіріледі. Сонымен қатар оның шикізатына қол жетімді, технологиясына аз энергия жұмсалады, зиянды орталардағы керамикалық қондырғылардың ұзақ мерзімді жарамдылығы аса зор қызығушылық туғызып отыр.Керамика өндірісі, әдетте, қоршаған ортаны металлургия сияқты ауыр дәрежеде ластамайды.

1. Крупа А.А.,Городов В.С. Химическая технология керамических материалов.-киев.:Высшая школа,1990.
2. Лойцянский Механика сплошых сред
3. Семченко Г.Д. Конструкционная керамика и огнеупоры. – Харьков: Штрих, 2000, – 304 с.
4. Клименко В.П., Поляков С.А. Вибрационное приготовление высококонцентрированных шликеров//Стекло и керамика. -1986. -№4.
5. Фройштетер Г.Б., Смородинский Э.Л., Радионова Н.В. Течение и теплообмен неньютоновских жидкостей в трубах.Киев:Наукова думка,1990.
6. Шевченко В.Я. Введение в техническую керамику. – М.: Наука, 1993. – 112 с.
7. Смольский Б.М., Шульман З.П., Гориславец В.М., Реодинамика и
теплообмен нелинейно вязкопластичных материалов. – Минск: Наука и техника, 1970.
8. Пасконов В.М., Полежаев В.И., Чудов Л.А. Численное моделирование процессов тепло – и массообмена, Москва, Наука, 1984
9. Самарский А.А. Введению в теорию разностных схем, Москва, Наука, 1987

Пән: Физика
Жұмыс түрі: Курстық жұмыс
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 39 бет
Таңдаулыға:

Қазақстан Республикасының білім және ғылым министірлігі

Әл-Фараби атындағы қазақ ұлттық университеті

Физика-техникалық факультеті

Жылуфизика және техникалық физика кафедрасы

ДИПЛОМ ЖҰМЫСЫ
Жоғары концентрациялы алюминий тотығы суспензиясының гидродинамикасы және жылуалмасуын фазалық құрылымдық өзгеруімен сандық зерттеу
мамандық 050723 - Техникалық физика
Орындаған:
4-курс студенті __________________________ Ахметжанова М.М
(қолы)
Ғылыми жетекші:
оқытушы Саттинова З.К
(қолы)
Қорғауға жіберілді
Кафедра меңгерушісі Бөлегенова С.А.
(қолы)

Алматы, 2012

Реферат

Бітіру жұмысы: 46 -беттен, 1 кіріспеден, 3 - бөлімнен, 33 -формуладан, 1 қорытындыдан және 9-әдебиеттр тізімінен тұрады.

Негізгі объектісі: Аллюминий тотығы суспензиясы

Негізгі сипаттаушы сөздер: ағыс, жылуалмасу, ламинарлык ағыс

Глоссарий

Реология - серпімді, пластикалы, тұтқыр қасиеттерінің үйлестіктерінен
тұратын тұтас ортаның деформациясы мен аққыштығын
қарастыратын ғылым.

Суспензия - тұтқыр сұйықта таралған өте ұсақ қатты бөлшектер

Конвективті жылуалмасу - жылудың температурасы көп аймақтан
температурасы аз аймаққа сұйық немесе газ ағынымен
жылу тасымалы арқылы таралады.
Коагуляция - дисперсті бөлшектерді молекулярлық күштер арқылы
жабыстырып, біріктіріп үлкейту, ірілендіру.
Дисперсті орта - Қүрамында басқа сұйықтардың ұсақ тамшылары бар сұйықты

Белгілеулер
r - көлденең координата, м;
z- бойлық координата, м;
λ1 - құбырдың алюмини корпусының жылуөткізгіштігі, Вт(мК);
δ2- жылу құбырының радиусы, м;
L1- булану аймағының ұзындығы, м;
q - жылу ағынының меншікті тығыздығы, Втм2 ;
L2 - конденсация аймағының ұзындығы, м ;
Tб- беттің температурасы,K ;
1- құбырдың ішкі радиусы, м ;
T2- сұйықтың температурасы, К;
P3 - будың қысымы, Па;
- беттік керілу, Нм; R - беттің қисықтығының радиусы, м;
U2 - сұйық фазадағы жылдамдықтың бойлық құраушысы, м с;
- динамикалық тұтқырлық, H*cм2 ;
1 - кеуектілік;
2 - тығыздығы (сұйық фаза), кгм3;
λ2 - жылуөткізгіштігі (сұйық фаза), Вт(м.K) ;
- бу каналының радиусы, м;
W1 - массалық булану жылдамдығы, кг(м2.c) ;
Q - фазалық ауысу жылуы, Джкг;
U3 - жылдамдықтың бойлық құраушысы, бу фазасындағы, мс;
V3 - радиал жылдамдық құраушысы, бу фазасындағы, мс;
TKP - критикалық температура, Па.

МАЗМҰНЫ
КІРІСПЕ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..4-6
І АЛЮМИНИЙ ТОТЫҒЫНАН ЖАСАЛҒАН КЕРАМИКАЛЫҚ МАТЕРИАЛДАРДЫҢ ҚАСИЕТТЕРІ ЖӘНЕ ҚҰРЫЛЫМЫ
І.1. Механикалық және термомеханикалық қасиеттері ... ... .7-11
І.2. Жылуфизикалық қасиеттері ... ... ... ... ... ... . ... ... ... 11-13
І.3. Термиялық және электрофизикалық қасиеттері ... ... ... 13-16
ІІ Алюминий тотығы суспензиясының реологиясы. фазалық ағын теориясы және оның тәжірибелік негізі
іі.1. Алюминий тотығы суспензиясының реологиясы және реологиялық теңдеулері ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...17-20
ІІ.2. суспензиялардың фазалық құрылымы. Теориялық негізі
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...21-22
II.3. Жылу алмасу және фазалык ағын ... ... ... ... ... ... ...22-2 5
III ЕСЕПТЕУ ЭКСПЕРИМЕНТ НӘТИЖЕЛЕРІ
III.1. Алюминий суспензиясының құбыр бойымен жылдамдық құраушыларының таралуы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .25-27
III.2. Құбыр бойымен ағысы кезінде алюминий суспензиясының тығыздығы мен қысымының өзгеруі ... ... ... ... ... ... ... ... ... .27-30

ҚОРЫТЫНДЫ ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..44-45

Қолданылған әдебиеттер тізім ... ... ... ... ... ... ..46

Кіріспе
Жалпы тарихи тұрғыдан керамика деп - минералдық қосымшаларды араластыра отырып, саз бен оның қоспаларынан алынатын бұйымдар мен материалдарды атайды. Адамзаттың техникалық прогреске қадам басуымен, керамикалық материалдар арасында өнеркәсіптің пайда болуы және дамуының нәтижесінде техникалық керамика класы қалыптасты. Керамика ұғымының ауқымы кеңейе түсті: саздан жасалатын дәстүрлі материалдардан өзге оның қатарына таза тотықтардан, карбидтерден, нитридтерден және т.б. алынатын материалдарды да жатқызатын болды. Екінші дүниежүзілік соғыстан соң техникалық керамика конденсаторларды, микросызбалардың үлгілерін, термисторлар мен варисторларды жасау үшін радиоэлектроникада, атом өнеркәсібінде, зымырандық техникада кеңінен қолданыла бастады. ХХ ғасырдың соңғы онжылдығында құрылысқа бағытталған керамикалық материалдар пайда бола бастады.
Заманауи материалдар әлемінде керамиканың алатын орны аса үлкен, өйткені, оның физикалық және химиялық қасиеттерінің ауқымы өте кең. Керамика қышқылданбайды және металдармен салыстырғанда жоғары температура аймағында аса орнықты. Керамикалық материалдардың серпімділік модулі металдарға қарағанда бір ретке жоғары. Керамикалардың арасында термиялық ұлғаю коэффициенті үлкен де, кіші де (тіпті, теріс болуы да мүмкін) материалдарды кездестіруге болады. Түрлі электрфизикалық қасиеттері бар керамикалық материалдардың да қатары көп. Олардың арасында диэлектриктер де, жартылайөткізгіштер де, өткізгіштер де (өткізгіштігі бойынша металдармен теңесетін) және асқынөткізгіштер де бар.
Қазіргі заманғы құрылыстық және инструменталды керамиканың маңызды құраушылары - алюминийдің, цирконидің тотықтары, кремнийдің, бордың, алюминий нитридтері, кремний мен бор карбидтері, олардың қатты ерітінділері мен түрлі композиттер. Керамиканың жарқын болашағы өзге материалдармен салыстырғанда оның қасиеттерінің сан алуан түрлілігімен түсіндіріледі. Сонымен қатар оның шикізатына қол жетімді, технологиясына аз энергия жұмсалады, зиянды орталардағы керамикалық қондырғылардың ұзақ мерзімді жарамдылығы аса зор қызығушылық туғызып отыр.Керамика өндірісі, әдетте, қоршаған ортаны металлургия сияқты ауыр дәрежеде ластамайды.

Керамикалық материалдардың металдар мен полимерлерге қарағанда биологиялық үйлесімділігі жоғары және аталмыш жайт оларды медицинада жасанды ағза бөліктерін имплантациялау үшін, сонымен қатар биотехнология мен гендік инженерияда құрылыс материалы ретінде қолдануға мүмкіндік береді.
Техникалық керамика - материалдардың салыстырмалы жаңа түрі және сондықтан оны өндіру масштабы көлемі және құны бойынша дәстүрлі және полимерлік материалдардың өндірісінен қалып қояды. Осыған қоса оны шығарудың қарқыны (жылына 15-тен 25% дейін) болат, алюминий және өзге металдардың cәйкес көрсеткіштерінен асып түседі. Қазіргі таңда АҚШ пен Жапония керамиканың негізгі өндірушілері болып табылады. АҚШ металл өңдеу үшін бағытталған құрылыс керамикасы саласында басымдылық танытады. Жапонияда құрылыс керамикасын өндірумен қоса қызметтік керамика (электрондық құрылғылардың негізгі құраушысы) саласы да қарқынды дамып келеді.

І АЛЮМИНИЙ ТОТЫҒЫНАН ЖАСАЛҒАН МАТЕРИАЛДАРДЫҢ ҚАСИЕТТЕРІ ЖӘНЕ ҚҰРЫЛЫМЫ
Пісірілген керамикалық материал әдетте қос фазадан тұрады: кристалдық және аморфты (шыны тәрізді). Кристалдық фазаның өзі нақты химиялық қосылыстардан, қатты ерітінділерден, ену фазасынан тұрады. Аморфты фаза әрқашанда дәстүрлі керамикаларда, сонымен қатар техникалық керамиканың кейбір түрлерінде кездеседі. Өйткені, аталған материалдардың құрамында SiO2 сынды шыны тәрізді күйді тудырушы тотық бар. Шыны фазасының мөлшері 60%-ға дейін жетеді. Құрылыс пен конструкциялық бағытта қолданылатын керамикада шыны фазасы болмайды, өйткені, оның болуының салдарынан материалдың беріктілік қасиеті тоқырауға ұшырайды.
Барлық пісірілген керамикалық материалдар кеуектерден тұрады. Оларды екі топқа жіктейді: жабық кеуектер - қоршаған ортамен мүлде әсерлеспейді; ашық кеуектер - қоршаған ортамен байланыста болады.
Керамиканың кейбір түрлерінде, мысалы, керамикалық сүзгілерде кеуектік мақсатты бағытталған түрде пайда болып, қалыптасады. Өзге керамикалардың технологиясында, мысалы, отқа берік түрлерінде нақты кейбір кеуектілік болады. Оның әсерінен бұйымның қолданушылық қасиеті айтарлықтай кеми қоймайды. Құрылыс және конструкциялық бағыттағы берік керамиканың технологиясында кеуектілік-зиянды фактор болып есептеледі, өйткені, ол бұйымның беріктілік қасиеттерінің деңгейін төмендетеді.
Керамикалардың кеуектілігі мен тығыздығын мынадай көрсеткіштермен сипаттайды:
1. Негізгі (теориялық) тығыздық н , гсм3 - кеуексіз материалдың тығыздығы;
2. Жалған тығыздық ж, гсм3 - кеуекті материалдың тығыздығы;
3. Салыстырмалы тығыздықы жн ;
4. Негізгі кеуектілік Пн, - материалдың жалпы көлеміне қатысты пайызбен немесе үлеспен өрнектелген барлық кеуектердің қосындының көлемі.
5. Жалған (ашық) кеуектілік - ашық кеуектердің көлемі, қайнау барысында сумен толтырылады, материалдың жалпы көлеміне қатысты пайызбен өрнектеледі.

І.1. Механикалық және термомеханикалық қасиеттер
Бөлме температурасында керамикаларға механикалық кернеулердің әсерінен айтарлықтай үлкен емес серпімді деформациядан соң қалыптасатын морт сынғыштық тән. Осы қасиетімен керамика металдардан едәуір ерекшеленеді. Металдар үшін пластикалық деформация шамасының мәні айтарлықтай үлкен болады. Керамиканың беріктілік қасиетін бағалау үшін сығу с және майыстыру м кезіндегі беріктілік шегінің шамасы қолданылады. Осы кездегі құрылыс және конструкциялық керамиканың беріктілігі майыстыру кезіндегі беріктілік шегімен бағаланады. Керамиканың механикалық беріктілігі сынақтан өтетін бұйымның көлеміне тәуелді. Көлемі үлкен бұйымдарда қауіпті ақаулардың болу ықтималдығы жоғары, олардың орташа беріктілігі аздау. Вейбул теориясына сай көлемдері V1 және V2 қос үлгіні созу барысындағы беріктілік мәндерінің қатынасы мынадай болады:
σ1 =(V2V1)1m, (1)
мұндағы m - материалдың біртектілігін сипаттайтын тұрақты. m - неғұрлым үлкен болған сайын соғұрлым материал да біртекті бола түседі. Керамиканың беріктілігіне микроқұрылым айтарлықтай әсер етеді: кристалдық фазалардың мөлшерлік қатынасы, шыны фазаның құрамы мен құрылысы, түйірлерінің өлшемдері, кеуектілік. Кристалдық фазалардың құрамының артуы және түйірлердің өлшемдерінің кемуі беріктіліктің артуына алып келеді. Керамикада шыны фазаның болуы көптеген жағдайларда беріктіліктің артуына алып келеді. Кеуектер көлденең қиманың ауданын азайтып қана қоймай, сонымен қатар кернеулерді тұрақтандырғыштардың да рөлін атқарады. Керамиканың беріктілігінің кеуектілікке тәуелділігі Рышкевич өрнегімен сипатталады:
=σ0exp(-nП), (2)

мұндағы n - 4-7 аралығында өзгеретін тұрақты; П - үлестермен өрнектелетін кеуектілік, 0 - кеуексіз керамиканың беріктілігі. Осы тәуелділіктен 5% кеуектілікте беріктілік кеуектерден толығымен арылған материалмен салыстырғанда 25-40% кемиді, ал 10% кеуектілікте шамамен екі есе азаяды.

Керамиканың маңызды беріктілік сипаттамасы - материалда сызаттардың таралуына қарсыласу қабілеті, яғни сызаттарға орнықтылық.
Ол мөлшерлік тұрғыдан өлшемділігі МПам12 болатын кернеулердің интенсивтілігінің критикалық коэффициентімен К1с анықталады. Сызаттарға орнықтылық арнайы әдістемелердің көмегімен анықталады. Олардың ішінде алмаз пирамидасының таңбалау әдісі кеңінен қолданылады. Үшінші маңызды қасиеті - қаттылық - керамиканың механикалық қасиеттерінің деңгейін анықтайды. Әдеттегі температурада керамикалық материалдар жүктеме кезінде пластикалық деформацияға ұшырамағанымен дегенмен де алмаз инденторды керамиканың бетіне енгізгенде инденторға жақын жатқан материалдың микрокөлемдерінде пластикалық деформация пайда болады. Осы деформацияға материалдың қарсыласуы қаттылықпен бағаланады. Керамиканың қаттылығын анықтау үшін негізінен Виккерс әдісі (HV) мен микроқаттылықты (H) анықтау әдісі қолданылады.
Майыстыруға беріктілік, сызаттарға орнықтылық пен қаттылықтан өзге керамикалардың механикалық қасиеттері серпімділік модулімен Е, ығысу модулімен G және Пуассон коэффициентімен бағаланады. Серпімділік модулі мына өрнектен анықталады:
= Е, (3)

мұндағы - серпімді деформация, - нормаль кернеу. Ығысу модулі ығысу деформациясы мен жанама кернеуді байланыстыратын дәл осындай өрнектің құрамына енеді:

= G, (4)

мұндағы - серпімді ығысу деформациясы, - максимал жанама кернеу. Пуассон коэффициенті мына өрнектен анықталады:

= (dd)(ll), (5)

мұндағы dd - салыстырмалы қысқару, ll - сыналатын үлгінің салыстырмалы ұзаруы. Көптеген керамикалар үшін шамасы 0,2-0,25 аралығында жатады, ал пластикалық деформация барысында әдетте = 0,5 болады. E және G модульдерінің арасында мынадай тәуелділік бар:
G = Е2(1+). (6)

Керамикалық материалдардың көпшілігі жоғары температураларда жұмыс жасау үшін арналған. Осы жағдайларда керамиканың механикалық қасиеттерін бағалау үшін мынадай параметрлер қолданылады: керамиканың қысқа мерзімді беріктілігі, қолдану температурасы кезіндегі жүктеме барысындағы деформация температурасы және жорғалағыштық. Қолдану температурасы кезіндегі керамиканың беріктілігі әдеттегі температура мәніндегі беріктілікпен, сығу мен майыстыру кезіндегі беріктілік шегімен
бағаланады. Жүктеме барысындағы керамиканың әдеттегі (20С) және жоғары (1000С аса) температуралардағы басты ерекшелігі - жоғары температураларда керамикалық материал пластикалық деформацияға ұшырай бастайды. Жүктеме барысындағы деформация температурасын анықтау түрлі жылутехникалық қондырғыларды жүктемелеуде қолданылатын отқа берік материалдарды аттестациялау үшін жүргізіледі. Керамиканың деформация температурасы оның фазалық құрамымен, кристалдық фазасының балқу температурасымен, мөлшерімен және шыны фазасының тұтқырлығымен анықталады. Керамиканың деформация температурасын 2кгсм2 тең жүктемеде және 5градмин қыздыру жылдамдығында анықтайды. Мынадай температуралар тіркеледі: жібудің басталу температурасы tнр, аталған шама биіктігі 50 мм0,3мм болатын сыналып жатқан үлгінің сығылуына сәйкес келеді және 4 және 40% сығу деформациясына сәйкес келетін температуралар. Керамиканы қолданудың шекті температурасы tнр мен t4% деф аралығында жатады. Жылжығыштық деп материалға жоғары температура мен механикалық кернеулер бірмезгілде әсер еткенде оның қайтымсыз пластикалық деформациясын атайды. Жылжығыштықтың бірнеше механизмдері анықталған: дислокациялық, диффузиялық, тұтқыр ағыс. Керамикалық материалдарға материалдың түйірлер шекарасы бойымен тұтқыр ағысына негізделген жылжығыштық механизмі тән. Тұрақты температура мен кернеу мәндерінде уақытқа қатысты керамиканың жылжу жылдамдығының үш сатысы ажыратылады (1 сурет).

Сурет 1 - керамиканың жылжу қисығы
мұндағы 0 - керамиканың аққыштық шегіне сәйкес келетін деформация;

I - орнықпаған жылжығыштық бөлімшесі; II - орныққан жылжу бөлімшесі;
III - қысқа мерзімді жылжу бөлімшесі; р - бұзылу барысындағы керамиканың деформациясы. Жылжу 1500 - 1800С температура мен 1 - 10 МПа кернеу мәндеріндегі орныққан жылжу кезеңіндегі керамиканың деформация жылдамдығымен бағаланады:
ddt = Se-QRTn, (7)

мұндағы S - құрылымдық фактор, Q - активация энергиясы, R - газ тұрақтысы, Т - температура, - кернеу, n = const .

І.2. Жылуфизикалық қасиеттері

Жылуфизикалық қасиеттерге жылусиымдылық, жылуөткізгіштік, температура өткізгіштік пен термиялық ұлғаю жатады. Аталған қасиеттердің маңызы зор, өйткені, олар керамиканың термиялық орнықтылығын анықтайды. Аталған жылу зат атомдарының тербелісін күшейтуге және электрондардың қозуына жұмсалады. Жылуөткізгіштік жылудың материал арқылы таралу жылдамдығын анықтайды:

dQdt = -dTdx, (8)

мұндағы - жылуөткізгіштік коэффициенті, dTdx - температуралар градиенті. Қатты денеде жылу берілудің қос механизмі анықталған: атомдардың серпімді тербелістерімен - фонондармен жылу тасымалы және электрондардың қозғалысы. Тотықты керамикаға жылудың фонондық таралу мехнизмі жақын. Жылуөткізгіштік коэффициенті фонондардың еркін жүру жолымен бағаланады. Төменгі температураларда фононның жүру жолының ұзындығы айтарлықтай үлкен, бұл атомдардың тербелістерінің гармоникалығына байланысты. Жылуөткізгіштіктің температураға тәуелділігінің қос бөлімшесі бар: сипаттық температурадан төмен жатқан облыс (немесе Дебай температурасы) және Дебай температураларынан кейінгі облыс (2 сурет).

Сурет 2 - Алюминий керамикасының жылуөткізгіштігінің температураға тәуелділігі
Дебай температурасына дейінгі облыстарда жылуөткізгіштік атомдық тербелістердің ангармоникалығына тәуелді болады, бұл иондар торындағы атомдық массалардың әр түрлілігіне негізделген. Кристалл торының едәуір күрделі құрылымы, ақаулардың, шыны фазасының болуы және кеуектілік керамиканың жылуөткізгіштігін қосымша кемітеді.
Керамиканың термиялық ұлғаюы сызықты термиялық ұлғаюдың орташа коэффициентімен (СҰТК) сипатталады, ол мына өрнектен анықталады:
ср=(lt-lt0)lt0(t-t0), (9)
мұндағы lt0 - бөлме температурасындағы үлгінің ұзындығы, lt - өлшеу температурасындағы үлгінің ұзындығы. Тотықтардың СҰТК әдетте температура жоғарылаған сайын артады, бұл кристалл торындағы иондардың байланыс күштерінің әлсіреуімен түсіндіріледі. Төмендегі кестеде алюминий оксиді керамикасының физика-механикалық қасиеттері келтірілген.

1 кесте. А12О3 негізіндегі инструменталдық керамиканың физика-механикалық қасиеттері
Керамиканың маркасы
Майыстыру барысындағы беріктілік шегі, МПа
Жылутұрақтылығы, °С
ЦМ-332(микролит)
475
1400
В-З
650
1100
ВОК-60
675
1100
ОНТ-20(кортинит)
700
1200

І.3. Термиялық және электрофизикалық қасиеттер
Термиялық қасиеттер материалдың жоғары температураларға қарсыласу қабілетін сипаттайды. Керамикалар үшін маңызды термиялық қасиеттерге отқа беріктілік, термиялық орнықтылық пен термиялық ескіру жатады.
Керамикалық материалдардың отқа беріктілігі олардың еру температурасымен анықталады. Еру температурасы және балқу температурасы түсініктерінің айырмашылығын ескерген жөн. Балқу температурасы заттың кристалдық күйінің сұйыққа өтуінің физикалық сипаты болып табылады және оның нақты мәні бар. Алайда, көптеген керамикалық материалдарда кристалдық фазамен қоса аморфты фаза да болады, осының салдарынан қыздыру барысында тұтқырлығы аз күйге өту - еру процесі біртіндеп жүзеге асады. Материалдың нақты тұтқырлыққа жетуіне еру температурасы сәйкес келеді.
Отқа беріктілікті тұрақты қыздыру барысында биіктігі 30мм тең конустық үлгіде анықтайды. Балқу дәрежесіне қарай конустың төбесі негізіне қарай ығысады. Конустың түсу мезетіне сәйкес келетін температура керамиканың отқа беріктілігін анықтайды.
Термотұрақтылық деп керамиканың қолдану барысында бұзылуға ұшырамай, температураның тербелісіне төзімділік қабілетін атайды.
Керамиканың термотұрақтылығы салыстырмалы қыздыру мен суыту жағдайларында температуралардың критикалық айырымымен бағаланады, ол мына өрнектен анықталады:
T= (1-)вcE, (10)

мұндағы - жылуөткізгіштік коэффициенті, - Пуассон коэффициенті, в - беріктілік шегі, - термиялық ұлғаю коэффициенті, c - меншікті жылусиымдылық, - тығыздық, Е - Юнг модулі. Отқа берік заттар үшін термотұрақтылықты анықтаудың тікелей әдісі қолданылады: кірпіштің жақтауын 850С және 1300С дейін қыздырып, содан соң ағын суда суытады. Термотұрақтылық зат бұзылуының салдарынан 20%-ға жуық салмағын жоғалтуымен сипатталады. Керамиканың термиялық ескіруі - бұйымдарды жоғары температуралық қолдану барысындағы қайта кристалдану процесіне негізделген материал түйірі өлшемінің артуы. Түйір өлшемі жүз микронға дейін жетуі ықтимал, осының нәтижесінде керамиканың беріктілік қасиеттері күрт төмендеп кетеді. Түйір өлшемінің өсуі мына өрнектен анықталады:

D = D0exp(-QRT)n, (11)

мұндағы D0 - түйірдің бастапқы өлшемі, Q - қайта кристалданудың активация энергиясы, n=const (тотықтар үшін n=13), - Т температурадағы төзімділік уақыты, сағ. Кез келген диэлектрик сияқты техникалық керамиканың маңызды электрофизикалық қасиеттері - диэлектрлік өтімділік ε, диэлектрлік өтімділіктің температуралық коэффициенті ТКε, меншікті кедергі ρ (Омּм), диэлектрлік шығындар tg δ, электрлік беріктілік немесе тесіп өтетін кернеулік Етө. Керамиканың электрофизикалық қасиеттері керамиканың аталған түрін қалыптастыратын кристалдық фазалардың құрамымен және құрылымымен анықталады. Керамикалық материалдардың кристалдық фазалары көптеген жағдайларда иондық немесе ковалентті байланыстардан тұратын кристалдарды береді. Керамикалық материалдарда еркін электрондар толығымен болмайды. Электрорадиотехникалық керамиканың электрофизкалық қасиеттері анағұрлым жоғары болады. Аталған қасиеттерге сәйкес жиілікте бастапқы материалдарды қолданып, массаларды мұқият дайындай және өңдей отырып, сондай - ақ, белгіленген жағдайларда күйдіре отырып қол жеткізеді. Салыстырмалы диэлектрлік өтімділік ε берілген диэлектриктен жасалған пластиналарды вакуумға алмастыру барысындағы конденсатордың қабаттарындағы зарядтардың қатынастары арқылы анықталады:

ε =CCB , (12)
Конденсатор сиымдылығының мұндай өзгерісі диэлектриктің поляризациясы құбылысының нәтижесінде орын алады. Поляризация дегеніміз - кристалл торының құрылымдық элементтерінің (электрондар, атомдар, иондар және т.б.) электр өрісінің әсерінен өзінің қалыпты күйінен
ығысу процесі. Сыртқы электр өрісімен әсерлесудің нәтижесінде кристалл ішіндегі электростатикалық күштер бұзылып, қайта таралады. Поляризация механизмі поляризация процесіне қатысатын құрылымдық элементтердің табиғатына байланысты алуан түрлі болуы мүмкін. Керамикалық материалдарда поляризацияның мынадай негізгі түрлері байқалады: электрондық, иондық, электрондық және ионды-релаксациялық, спонтанды. Керамикалық диэлектриктің поляризация дәрежесі және оның поляризациялануы жалпы алғанда әрбір түрдің поляризациясының қосындысынан құралады. Диэлектрлік өтімділік шамасы керамиканың аталған түрінің поляризациялануын білдіреді. Электрондық поляризация электр өрісінің әсерінен теріс зарядталған электрон бұлтының ауырлық центрінің серпімді ығысуы мен деформациясын білдіреді. Электрондық поляризация лезде өтеді және оның энергия шығынына қатысы жоқ. Электрондық поляризация көптеген керамикаларға тән емес. Иондық поляризация - бұл иондардың салыстырмалы ығысуы. Поляризацияның бұл түрі иондық кристалдардан тұратын керамикаға қатысты. Иондық поляризация да лезде өтеді. Егер электрондардың немесе иондардың қайтуына қандай да бір уақыт мезеті қажет болса, онда электрондық және иондық - релаксациялық поляризацияларды ажыратады. Электрондық-релаксациялық поляризацияға ие заттардың диэлектрлік өтімділігі үлкен болады. Спонтанды поляризация электр өрісін бермес бұрын кристалдың жеке облыстарында (домендерде) хаостық түрде орналасқан электрлік моменттердің электр өрісіне қатысты бағытталған орнын білдіреді. Спонтанды поляризация энергияның айтарлықтай шашырауымен байланасты. Спонтанды поляризацияның ерекшелігі - диэлектрлік өтімділік электр өрісінің шамасына бейсызықты тәуелді болады және белгілі бір температура мәнінде максимум байқалады. ε шамасы бойынша керамикалық материалдар алуан түрлі болады. Тотықты, силикатты және алюмосиликатты керамикалық материалдардың ε шамасы маңайында болады. ε шамасының температуралық тәуелділігі диэлектрлік өтімділіктің температуралық коэффициентімен ТКε анықталады:

ТКε=d(Δεε)dT. (13)
Диэлектрлік шығындар бұрышы tgδ электр және радиотехникалық бағыттағы керамикаларды таңдау барысында аса маңызды рөл атқарады. Диэлектрлік шығындар диэлектриктің қыздырылуына алып келеді, осының нәтижесінде шашырайтын қуат мына өрнектен анықталады:

P=U2ωC tgδ, (14)
мұндағы U - кернеу, ω - бұрыштық жиілік, С - сиымдылық.
Берілген өрістің жиілігін арттырған кезде зарядтардың ығысуы фаза бойынша өрістен қалып қояды. Сондықтан негізгі диэлектрлік өтімділік мына өрнектен анықталады:

εи= εд - iεм, (15)
мұндағы εд және εм - сәйкесінше, негізгі және жалған диэлектрлік өтімділіктер. Диэлектрлік шығындар бұрышы мына өрнектен шығады:

tgδ = εи εд. (16)
Керамиканың электрөткізгіштігін өткізгіштікке кері шамамен - кедергімен бағалау қабылданған. Меншікті көлемдік кедергі ρ (Омּсм) сандық тұрғыдан қабырғасы 1см тең кубтың кедергісіне тең, бұл жердегі шарт - ток қос қарама - қарсы қырлары арқылы өтеді деп қарастырамыз. Көп жағдайларда керамиканың электрөткізгіштігі иондық сипатқа ие болады. Кристалл торына енетін, сонымен қатар шыны тәрізді затта анағұрлым азырақ ретті күйде болатын иондардың белгілі бір қозғалғыштығы болады. Кристалл ішілік байланыстар неғұрлым берік болған сайын қозғалғыштық та азая түседі. Кристалл торының түйін араларында және ақаулық аймақтарда орналасқан иондар, сонымен қатар қоспалар мен шыны тәрізді фазалардың иондары кристалл фазасының иондарына қарағанда едәуір қозғалғыш болады. Тек осы иондар ғана керамиканың электрөткізгіштігінің негізгі көзі болып табылады. Егер керамикада шыны тәрізді фазаның болуы айтарлықтай көп болса, онда осы шынының электрөткізгіштігін басуға тырысады. Ол үшін аталған шыныға үлкен өлшемдерге және үлкен зарядтарға ие сілтілік-жерлік металдардың иондарын енгізеді. Керамикалық материалды сипаттау үшін электрөткізгіштіктің температураға тәуелділігі өте маңызды. Температура артқан сайын электрөткізгіштік те артады, өйткені, қыздыру нәтижесінде иондардың қозғалғыштығы артады.
ІІ. СУСПЕНЗИЯЛАРДЫҢ РЕОЛОГИЯСЫ. ФАЗАЛЫҚ АҒЫН ТЕОРИЯСЫ ЖӘНЕ ОНЫҢ ТӘЖІРИБЕЛІК НЕГІЗІ

ІІ.1. Алюминий суспензиясының реологиясы және жоғары концентрациялы аллюминий суспензиясының реологиялық моделі
Суспензиялардың орныққан ламинарлық ағынының физика-химиялық механизмін бейнелейтін теория ұсынылған. Осы гипотезаға сай қосфазалық орталардың аққыштығы негізінен дисперсиялық ортаның тұтқырлығымен және мөлшерімен анықталады. Суспензиялардың тұтқырылығына арналған теңдеу есептеп табылған. Аталмыш теңдеу тәжірибелік мәліметтерден белгілі реологиялық қасиеттерді сипаттайды. Теңдеу құрамына суспензия тұтқырлығының ондағы қатты фазаның мөлшеріне, оның дисперстілігіне, құрамы мен беттік активті заттар мөлшеріне тәуелділігі енеді. Суспензиялардың мынадай бірқатар ерекшеліктерін сипаттайды: қатты фазаның бимодальді түйірөлшемді құрамы тұтқырлығының күрт кему эффектісі, БАЗ механикалыбелсенді сорбциялану эффектісі, ескіру, механикалық әсерлер. Өзара әсерлеспейтін бөлшектердің суспензиялары үшін теңдеу Эйнштейн өрнегіне көшеді.
Суспензияларды ұнтақтармен қоса көптонналы материалдарға жатқызады. Олардың өнеркәсіптік өндірістегі және табиғи процестердегі рөлі айтарлықтай маңызды. Осындай қосфазалы дисперсті жүйелердің реологиялық қасиеттері олардың технологиялық сипаттамаларын анықтайды. Сондықтан суспензиялардың релогиясына қатысты проблемаларға көптеген зерттеушілер баса назар аударады. Соңғы онжылдықта дисперсті жүйелердің реологиясына қызығушылық бірқатар жағдайларда мұнай отынын алмастыратын сукөмірлі суспензияларды алудың және тасымалдаудың технологиялық проблемаларымен дами түсті. Суспензияларды дайындаудың, тасымалдау мен қолданудың өнеркәсіптік үнемділігі олардың құрамындағы қатты компоненттердің саны артқан сайын, тұтқырлығы неғұрлым аз болған сайын және статикалық, динамикалық орнықтылығы көп бола түскен сайын ұлғаюда. Дисперсті жүйелер реологиясының ғылыми негізделген үлгілерін жасауға ұмтылу технологиялық мүдде мен эвристикалық қызығушылыққа негізделген. Барлық реологиялық зерттеулердің құрамына міндетті түрде тұтқыр орта қозғалысқа келетін механикалық күштерді (ығысу кернеуі) өлшеулер енеді. Ығысу кернеуі мен жылдамдығының өлшенген мәндері бойынша тұтқырлықты анықтайды. Консистентті орталардың - суспензиялар мен эмульсиялардың тұтқырлығы ығысу жылдамдығына тәуелді екендігі

белгілі, сәйкесінше, оларға қатысты тұтқырлық - бірмәнді параметр емес. Тұтқырлықты өлшеу әдісінің ресмилігі өнеркәсіптік қолдануға бағытталған суспензияларды дайындау технологиясы үшін айтарлықтай маңызды. Егер суспензияларды өлшеу мен өнеркәсіптік тасымалдау процестеріндегі механикалық әсерлердің параметрлері өзара сәйкес келмесе, онда олардың реологиялық қасиеттерін технологиялық жетілдіру атарлықтай қиынға соғады немесе тіпті мүмкін болмайды. Консистентті орталардың математикалық үлгілерді зерттеудің теориялық және тәжірибелік әдістері, олардың реологиялық қасиеттерінің математикалық үлгілерінің алуан түрлі нұсқалары баршылық [3]. Өте араластырылған өзара әсерлеспейтін бөлшектер суспензияларының тұтқырлығының теориялық үлгісін Эйнштейн ұсынған. Суспензиялардың реологиясы жайындағы теориялық көзқарастарды жасау және талдау жұмыстарын Рейнер ұсынған [5], ал физика-химиялық көзқарас тұрғысынан аталған талдауды Урьев [3] жүргізген. Қазіргі уақытта қабылданған көзқарастарға сай консистентті орталардың реологиясын оларды құрайтын бөлшектердің өздігінен өзара контактілі әсерлесуінің нәтижесі ретінде қарастырады. Аталған әсер физика-химиялық факторларға немесе сыртқы күштердің әсеріне, түрлі типтегі конгломератты құрылымдардың қалыптасуы және бұзылуына негізделген [4]. Осыған сай бөлшектерге адсорбцияланған дисперсті ортаны және онда ерітілген БАЗ-ды қарастырады. Олардың технологиялық тиімділігі жақсы зерттелген. Контактілі әсерге негізделген теорияға сай құрылған реологиялық үлгілер нақты жағдайларда тәжірибелік мәліметтерге сәйкес келеді. Алайда, бұл сәйкестік шартты болып табылады. Шындығында үлгілердің өзгеретін параметрлері - беріктілік пен контактілердің саны дисперсті ортаның физика-химиялық қасиеттері мен бөлшектер бетіне, БАЗ әсеріне, өлшеулер барысындағы ығысу жылдамдығы мен өзге де факторларға тәуелді болады. Екіден аса параметрлердің өздігінен өзгеріске ұшырауы үлгінің тәжірибелік мәліметтерге үйлесімділігі жөнінде айтуға негіз болады. Ешқандай жұмыста суспензия бөлшектерінің контактілерінің беріктілігі де, олардың координациялық саны да өлшенбеген. Керісінше, олар әрбір нақты үлгі үшін суспензияның реологиялық параметрлерін өлшеу арқылы кері санақ көмегімен есептеп табылған. Кері есеп - теориялық үлгіні нақты өлшенген немесе есептеп табылған бөлшектердің өзара әсерлесу күштері негізінде тұрғызу. Оның ішінде бөлшектердің коагуляциялық және өзге текті контактілерінің беріктілігі бүгінгі күнге дейін шешімін тапқан жоқ. Күмәнді ойлар теориялық тұжырымдарды логикалық тұрғыдан талдаудан ғана емес, сонымен қатар суспензиялардың тұтқырлығын есептеу үшін технологиялық

мақсаттарда теориямен дәл келмейтін эмпирикалық өрнектерді қолданудан да пайда болып отыр. Өйткені, аталған өрнектер нақты жағдайда өлшеу нәтижелеріне жақсы сәйкес келмейді. Бұл жалпы жағдайда контактілі әсерлесу үлгілерінің инженерлік тәжірибелерге сәйкессіздігін және практикалық мақсаттарға жарамсыздығын білдіреді.
Бөлшектердің контактілі әсерлесу теориясына қарама-қайшы құбылыстардың бірі - дисперсті фазаның бимодальді фракциялық құрамының эффектісі. Осындай суспензияның тұтқырлығы жұқа және ірі фракцияның нақты қатынасында, қатты фазасының мөлшері дәл сондай полифракциялық немесе монофрациялық ұнтақтар негізіндегі суспензиялардың тұтқырлықтарынан анағұрлым аз болады. Суспензия тұтқырлығын кемітудің осы әдісі [6] лабораториялық жұмыстарда жақсы зерттелген. Оны цемент ерітінділерін, сырлаушы материалдар мен сукөмірлі суспензияларды дайындаудың өнеркәсіптік технологиясында кеңінен қолданады. Мұндай суспензиялардың тұтқырлығы өте үлкен. Нақты айтқанда олар - пасталар. Бірінші суспензияның тұтқырлығы 3,5 Па*с асады, ал екіншісі - 4,5 Па*с (мұндай пасталардың тұтқырлығын өлшеу қиын). Осындай БАЗ-ды қоспай немесе механикалық күштің әсері болмайтын суспензиялардың механикалық қоспаларының тұтқырлығы 45-55 қатынасында 0,2 Па*с құрайды (1 сурет), яғни бұл әрбір бастапқы заттың тұтқырлығыган 20 есе кіші деген сөз. Бөлшектердің өзара контактілі әсеріне негізделген теорияның ешқайсысында бимодальді түйірөлшемді құрам құбылысын түсіндіру мүмкін емес. Ірі бөлшектердің қосынды көлемі, минералдық құрамы мен физика-химиялық қасиеттері бойынша бірдей ұсақтарымен алмастыру бөлшектердің контактілі өзара әсерлесуінің және олармен байланысқан дисперсті ортаның көлеміне артуына алып келеді. Алайда, фактілік тұрғыдан ол көп ретті кемуі тиіс. Тағы бір тәжірибелік факт, Бірдей концентрациялы бірқатар суспензиялардың тұтқырлығы тек қана бөлшектердің гигроскопиялығымен корреляцияланады. Бірқатар тәжірибелерде бірдей дәрежеде ұсақталған ... жалғасы

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.