Батуев А. С., Скамьянова Т.Ю.,
Игнатов М.Н., г. Пермь

ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ БАЗАЛЬТОВЫХ ВОЛОКОН ПРИ ПОВЫШЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ

Было проведено исследование свойств базальтовых волокон при повышенных температурах. Проведено исследование прочностных свойств базальтового волокна после предварительного нагрева. Проведен термогравиметрический анализ базальтового волокна.

Базальтовое волокно представляет собой аморфный природный материал, получаемый из расплавленного базальта или других пород вулканического происхождения. Этот материал выпускается в промышленных масштабах, относительно дешев и используется в производстве полимерных композиционных материалов. Временное сопротивление разрыву базальтового волокна 1850 – 2150 МПа, модуль упругости 93 – 113 ГПа, диаметр волокна – около 10 мкм, плотность 2200 – 2600 кг/м³. Температурные области применения для базальтового волокна – от –200 до +750 ^оС [1]. Установлено [1], что изменение свойств базальтовых волокон начинается после термической обработки свыше 600 ^оС: прочность на разрыв волокон снижается на 5 – 20% при 600 ^оС и на 45 – 70% при 700 ^оС, при более высоких температурах (800 ^оС) происходит разрушение волокон; укорачивание волокон после термообработки в течение 1 часа при 800 ^оС составляет 0,46 – 0,53%; плотность волокон изменяется от 2,6 г/см³ в исходном состоянии до 3,07 г/см³ при 900 ^оС. Поэтому решено было опробовать это волокно для изготовления металлокомпозиционных материалов, получаемых литьем с кристаллизацией под давлением.

Исследование прочностных свойств базальтового волокна [2] после нагревов до 973 К (700 ^оС) показало, что нагрев до 873 К (600 ^оС) приводит к практически полному разупрочнению волокна. Падение прочности начинается уже при температуре 473–573 К (200 – 300 ^оC). Нанесение защитных покрытий на базальтовое волокно не обеспечивает сохранения исходных высоких значений усилия разрыва после нагрева на 973 К (700 ^оС) с выдержкой 15 минут.

Как показывают дериватограммы (рис.1) базальтовое волокно не выгорает, а, очевидно, разупрочняется. При нагреве базальтового волокна до температуры 1173 К (900 ^оС) убыль его массы составляет 1 – 1,5%, а у базальтового волокна с покрытием 30 %-ным водным раствором алюмохромфосфата убыль массы за счет выгорания алюмохромфосфатного связующего (АХФС) равна 4 – 5% (см. рис.1). Дериватограмма алюмохромфосфотного связующего (АХФС) представлена на рис. 2.

При термогравиметрическом анализе базальтового волокна в качестве эталона применялся Al₂о₃. Начальная температура при испытании Т_о= 21 ^оС, масса навески волокна m_{навески} = 0,05025 г, коэффициент деления дериватограммы K_дел = 1,984х10^-4 г/мм. Все эффекты эндотермические. Кривая ДТА идет плавно вверх, это может быть вызвано усадкой материала, изменением теплопроводности в пробе. Изменения по ДТА и ДТГ синхронны (при увеличении температуры протекает химическая реакция в образце).

 

При температуре 900 ^оС исследуемый образец начинает разлагаться, что подтверждается изменением кривой ДТГ с наибольшей скоростью. По дериватограмме базальтового волокна видно, что при нагреве до температуры примерно 900 ^оС убыль массы составляет m = 0,00071 г (1,4%), кривая ТГ горизонтальна. При дальнейшем повышении температуры кривая ТГ начинает идти вниз, резко уходит вниз и кривая ДТГ. Образец выдерживали при 1000 ^оС в течение 40 минут, убыль массы составила 0,0194 г, окончательная масса образца m_ост = 0,03531 г.

Литература

1.    Джигирис Д.Д. Основы производства базальтовых волокон и изделий / Д.Д. Джигирис, М.Ф. Мохова. – М.: Теплоэнергетик, 2002.

2.    Скамьянова Т.Ю. Волокнистые металлокомпозиционные материалы, получаемые литьем с кристаллизацией под давлением: Диссертация канд. техн. наук / Перм. политехн. ин-т. – Пермь, 1994.