44317

Особенности технологического процесса получения керамики из продукта химического диспергирования сплава Al-Si (12%масс.)

Дипломная

Производство и промышленные технологии

Другой проблемой является создание мембран и фильтрующих керамических элементов с многослойной структурой с высокими прочностными свойствами. Одним из решений этой проблемы может стать использование нанокристаллических порошков, в процессе спекания которых, происходит формирование особых многозеренных нанокристаллических структур с высокой прочностью связи на границах зерен

Русский

2013-11-13

9.97 MB

44 чел.

PAGE   \* MERGEFORMAT83

РЕФЕРАТ

Дипломный проект содержит 115 страниц машинописного текста формата А4, 29 рисунков,  17 таблиц,  21 литературных источников. Графическая часть дипломной работы содержит  13 слайдов.

Ключевые слова: оксидная керамика, химическое диспергирование, тонкая структура, фазовый состав, осадок – продукт химического диспергирования

Основная задача дипломного проекта заключалась в выявлении влияния концентрации щелочи на структуру диспергированных порошков и свойства керамических материалов, спеченных из них.

В дипломной работе приведены результаты исследования химического диспергирования алюминиевого сплава, разработана технологическая схема спекания и приведены свойства полученных керамик.


СОДЕРЖАНИЕ

[1] РЕФЕРАТ

[2] 1.1 Привлекательность наноструктурных керамических материалов для перспективных применений

[3] 1.2. Особенности спекания керамики из наноразмерных порошков

[4] 1.3. Способы получения тонкодисперсных порошков

[5] 1.4. Полиморфизм Аl203 в наноструктурном состоянии и методы управления рекристаллизацией для получения керамики оксида алюминия

[6] 1.5. Применение керамик

[7] 2.1 Сканирующий электронный микроскоп

[8] 2.2 Изучение фазового состава частиц осадка

[9] 2.5 Определение прочностных свойств спеченных керамик

[10] 2.6. Рентгеновский фазовый анализ

[11] 3.1. Особенности технологического процесса получения керамики из продукта химического диспергирования сплава Al-Si (12%масс.).

[12] 3.2. Технологическая схема спекания

[13] 3.3.1. Свойства керамических образцов, изготовленных из продукта химического диспергирования алюминиевого сплава Al-Si (12%масс.).

[14] 3.4.1. Механические свойства керамических образцов, изготовленных из продукта химического диспергирования алюминиевого сплава Al-Si (12%масс.).

[15] 4.1 Введение

[16] 4.2 Воздействие на человека электрического тока

[17] 4.3 Электробезопасность производственных систем

[18] 4.4 Защитное заземление

[19] 4.5. Расчёт параметров защитного заземления лабораторной установки

[20] 4.6. Расчёт

[21] 5.1. Меморандум конфиденциальности

[22] 5.2. Резюме

[23] 5.3. Задание на исследование.

[24] 5.4. План по организации научно-исследовательской работы

[25] 5.5. Планирование научно-исследовательской работы

[26] 5.6. План по определению затрат на исследование

[27] 5.7. Маркетинговые исследования

[28] 5.8. Технико-экономическое обоснование НИР


ВВЕДЕНИЕ

Современное состояние и развитие технологии керамики и прежде всего технологии высококачественных порошков, как сырьевых материалов, так и добавок, а также теории спекания показывают, что далеко не исчерпаны возможности создания на основе оксидов и их соединений новых видов керамики, в том числе на основе оксида алюминия. Разработка новых технологических решений, принципов подбора необходимых порошков способствуют созданию новых по качеству материалов и расширению областей их применения.

Керамические материалы на основе оксида алюминия широко используются в различных областях промышленности, что обусловлено особым комплексом свойств - высокие температура эксплуатации, прочность, термостойкость и износостойкость, химическая стойкость.

При создании керамик различного функционального назначения основным требованием является получение материала с заданной структурой с оптимальными физико-механическими свойствами. Можно выделить несколько перспективных проблем материаловедения, возникающих при разработке таких материалов. Например, существует проблема при получении катализаторов для доокисления выхлопных газов в двигателях внутреннего сгорания, которая заключается в создании активного поверхностного слоя из метастабильных модификаций оксида алюминия, способного работать при температурах до 900°С. Использование нанокристаллических керамических порошков открывает принципиально новые возможности при создании катализаторов за счет запасенной избыточной поверхностной энергии, по сравнению с крупнокристаллическими порошками, которая может привести к изменению температурных интервалов фазовых переходов.

Другой проблемой является создание мембран и фильтрующих керамических элементов с многослойной структурой с высокими прочностными свойствами. Одним из решений этой проблемы может стать использование нанокристаллических порошков, в процессе спекания которых, происходит формирование особых многозеренных нанокристаллических структур с высокой прочностью связи на границах зерен, составляющих керамический каркас, в результате чего увеличивается прочность всего материала. Создание керамик на основе наноструктурных порошков и их смесей с крупнокристаллическими порошками, позволит направленно формировать структуру керамических материалов без использования таких вспомогательных технологических приемов, как введение пено- и порообразователей, которые, как правило, отрицательно сказываются на прочностных свойствах керамики.

Таким образом, разработка единого подхода, который позволял бы создавать керамические материалы с заданной структурой и свойствами при различном соотношении крупно- и нанокристаллических порошков в исходной смеси является актуальной задачей. В этом случае будет обеспечено эффективное практическое применение керамик на их основе.

Установлено, что в плазмохимическом порошке Аl2О3 наблюдается сохранение большого содержания метастабильных модификаций до высоких температур, а затем в узком интервале (-1150- 1200°С) происходит резкий переход в ромбоэдрическую решетку, который носит «взрывной» характер и в процессе спекания приводит к активации диффузии.

Показано, что в керамических материалах на основе оксида алюминия с различным соотношением крупно- и нанокристаллических порошков основная часть дефектов расположена по границам зерен. При увеличении содержания плазмохимического порошка в исходной смеси порошков, после спекания в керамике с пористостью около 50%, происходит смена характера поровой структуры от изолированных пор и поровых кластеров к структуре, состоящей из двух взаимопроникающих компонент вещество-пора. Это сопровождается резким ростом микроискажений кристаллической решетки.

Установлено, что в процессе спекания исследуемых керамик преобладает диффузия по границам зерен, независимо от соотношения крупно- и нанокристаллических порошков в исходной смеси. Увеличение содержания нанокристаллического порошка оксида алюминия в исходной смеси порошков приводит к смене механизмов уплотнения в процессе спекания, и, как следствие, становится возможным получение контролируемой усадки спекаемого материала, вплоть до безусадочного синтеза керамики.

РАЗДЕЛ 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ПОЛУЧЕНИЯ КЕРАМИК НА ОСНОВЕ ОКСИДОВ АЛЮМИНИЯ

1.1 Привлекательность наноструктурных керамических материалов для перспективных применений

Непрерывно нарастающий во всем мире интерес к наноматериалам, безусловно, связан с уникальными свойствами этого класса веществ, и с открывающимися перспективами резко расширить границы возможностей технологий материалов. Например, тенденция к постоянному уменьшению характерного размера в микроэлектронике, сопровождается повышением быстродействия и уменьшением энергопотребления устройств. Более 20 лет назад на примере многих наноматериалов на основе металлов и интерметаллидов (Ni, Fe, Си и т.д.) было показано, что при характерном структурном размере менее 100 нм наблюдается существенное, часто немонотонное, изменение фундаментальных, обычно структурно- нечувствительных характеристик, таких как модули упругости, температуры Кюри и Дебая, намагниченность насыщения и др. Это открывает перспективы улучшения существующих и создания принципиально новых конструкционных и функциональных материалов.

К наноструктурным материалам, согласно терминологии, введенной международным журналом «Наноструктурные материалы» («Nanostructured materials»), относят кристаллические материалы со средним размером зерна или других структурных единиц, приблизительно в диапазоне 1-100 нм. По геометрическим признакам наноструктурные материалы (наноматериалы) можно разделить на ноль-мерные атомные кластеры и частицы,

одно- и двумерные мультислои, покрытия и ламинарные структуры, трехмерные объемные нанокристаллические и нанофазные материалы (рис. 1.1.1).

Рис. 1.1.1. Схематическое представление четырех типов наноструктурных материалов, различающихся размерностью структурных единиц

0—атомные кластеры и частицы

I мультислои

2ультрадисперсные покрытия

3объемные нанокристаллические материалы

Выбор приблизительной пороговой величины 100 нм обусловлен характерным корреляционным масштабом некоего физического явления, например, диффузии или дислокационной ползучести. При уменьшении зерна в материале до величин, сравнимых с характерным размером определенного свойства, происходит скачкообразное его изменение. Для керамических материалов конструкционного назначения таким явлением может быть образование дислокаций, которое невозможно в кристаллах нанометрового масштаба. При этом появляется эффект сверхпластичности и снижается вероятность хрупкого разрушения. Таким образом, свойства наноструктурных материалов прямо связаны с их необычной структурой, особенностями которой является большое количество сильно разориентированных границ. На примере ZnO впервые была отмечена зависимость свойств наноструктурных керамик от размера зерна. Например, очень сильно изменяются спекаемость и ползучесть при уменьшении размера зерна в нанометровом диапазоне, так как скорость уплотнения dp/dt и деформации de/dt содержат степенную зависимость от размера зерна в виде {1/г}q, где 2q4. Применение этих соотношений к нанометровому диапазону показывает, что dp/dt и de/dt возрастут более чем в 109 раз при уменьшении размера зерна на три порядка  от 10 мкм до 10 нм. Таким образом, становится возможным управлять механическими свойствами веществ посредством контролируемого роста зерна. Одним из наиболее впечатляющих свойств нанокерамик является их сверхпластичность при температурах намного ниже температур спекания и рекристаллизации.  

В частности, для оксида циркония в тетрагональной модификации наблюдалась пластическая деформация до 300 % при температурах порядка 800 °С , Это дает возможность ковать керамику, подобно металлам, в формы с точными размерами.

Особенно интересны в наноструктурном состоянии такие перспективные керамические материалы, как карбиды, нитриды, оксиды и подобные им, характеризуемые высокой температурой плавления. Замечательные свойства этих соединений (высокие значения твердости, модуля упругости и прочности; химическая инертность и низкая скорость испарения; широкий спектр электрических свойств и др.) уже давно привлекли к себе внимание широкого круга специалистов в области физической химии и технологии материалов.

1.2. Особенности спекания керамики из наноразмерных порошков

Отличительной чертой объемных нанокристаллических материалов является значительная доля атомов, находящихся на границах зерен, а также большое количество межзеренных границ. Это обеспечивает короткие диффузионные пути, а значит, повышенные, по сравнению с обычными материалами, скорости взаимодействия. Соответственно, температуры спекания наноразмерных порошков оказываются существенно ниже. Эти черты, на первый взгляд являющиеся преимуществами наноматериалов, порождают серьезные проблемы. Развитые границы зерен обуславливают высокое межчастичное трение, что значительно затрудняет компактирование наноразмерных порошков. Их высокая реакционная способность и пониженные температуры спекания приводят к быстрому росту зерна при спекании. Поэтому получение объемных нанокристаллических керамических материалов при сохранении масштаба структуры в нанометровом диапазоне является серьезной проблемой.

Состояние спрессованного порошка является сильно неравновесным ввиду наличия большой свободной поверхности, разного рода дефектов и микроискажений кристаллической решетки частиц. Особенно сильной неравновесностью характеризуются прессовки из наноразмерных порошков, удельная поверхность которых имеет величину от 50 м2 и более на грамм.

Подобные высокодисперсные системы стремятся к уменьшению свободной поверхностной энергии, что является движущей силой спекания, термодинамически необратимого процесса. Уплотнение при спекании порошков выражается в ползучести материала под действием сил поверхностного натяжения. Механизм и кинетика уплотнения зависят от исходного состояния прессовки (плотности, структуры, фазового состава) и могут управляться выбором режима нагрева. Условно процесс усадки при спекании порошков удобно представить в виде трех стадий. Ранняя стадия характеризуется соединением частиц в местах контактов с образованием "шеек", далее следует промежуточная стадия, для которой типично образование неизомерных пор и уменьшение их объема. Поздняя стадия сопровождается коалесценцией - слиянием пор и их залечиванием.

Для снижения роста кристаллитов в керамике важна минимизация воздействия высоких температур при ее спекании. Экспериментальные данные подтверждают, что повышение температуры спекания керамики приводит к большему размеру зерна и к ухудшению механических свойств. В частности, при спекании α-Al2O3 со средним размером зерна 0,22 мкм наилучшие показатели имела керамика, спеченная при температуре 1300°С (прочность на изгиб 654 МПа и эрозионная стойкость 0,13-10-3 м3•м-3) . При повышении температуры спекания до 1400°С было отмечено заметное укрупнение размера зерна, снижение прочности (на 30%) и эрозионной стойкости (в 4 раза) керамики.

Одним из необходимых условий для снижения температуры спекания является стартовая плотность прессовки. Повышение плотности укладки частиц увеличивает количество межчастичных контактов, и спекание при этом будет протекать и интенсивней, и равномерней. Кроме этого, высокая плотность укладки подразумевает не только малую пористость, но и малый размер пор и их равномерное распределение, что в конечном итоге ведет к ускоренному достижению полной плотности керамики. Было показано, что процессы спекания наноразмерного порошка, скомпакгированного до плотности, близкой к порогу упругой упаковки, обычно превышающей 70%, протекают при пониженных температурах и значительно быстрее, чем в прессовках низкой плотности. Поэтому для сохранения наноструктуры керамики при спекании важно обеспечить высокую стартовую плотность материала. Например, при спекании керамики ZrO2, стабилизированного Y2O3, из нанопорошков с размером частиц 15 нм, была обнаружена сильная зависимость размера зерна в получаемой керамике от стартовой плотности прессовок. В частности, спекание прессовок с относительной плотностью 0.47, 0.50 и 0.58 приводило к получению керамики с зерном 165, 115 и 85 нм, соответственно. Причем, в первых двух случаях, конечная плотность не превышала 97 %, и только увеличение начальной плотности до 58% позволило получить керамику с плотностью 99 %.

По мере уменьшения размера частиц относительное количество атомов в поверхностном слое увеличивается. Растет поверхностная энергия частиц нанопорошка. Высокое межчастичное взаимодействие, возрастающее с уменьшением размера частиц, обуславливает плохую прессуемость нанопорошков. Многочисленные экспериментальные данные свидетельствуют об ухудшения уплотняемости порошков статическими давлениями с уменьшением размера частиц (Si3N4, ZrO2, SiC). Доминирующая адгезионная природа сил сопротивления, препятствующих сжатию порошка, присуща именно наноразмерным порошкам, обладающим большой удельной поверхностью, и нехарактерна для порошков микронных размеров.

Высокие поверхностная энергия и энергия межчастичных связей определяют и большое содержание адсорбированных веществ на поверхности частиц и склонность нанопорошков к агрегированию. Поэтому, как правило, все керамические порошки состоят не из отдельных монокристаллических частиц, а из их объединений - агломератов или агрегатов. Качественное различие между указанными объединениями частиц связывается с природой и величиной межчастичных сил. Агрегированные порошки характеризуются слабыми межчастичными взаимодействиями типа Ван-дер-Ваальса и агрегаты в этом случае легко могут быть разрушены при диспергации или компактировании. Если частицы связаны между собой сильными взаимодействиями химической природы, между ними могут быть образованы шейки, характерные для начальной стадии спекания. В этом случае можно говорить об агломерировании порошка. Агломераты, как правило, не поддаются диспергации и не разрушаются при компактировании. Вследствие этого прессовка наследует пространственное расположение частиц в агломератах.

При этом порошки, состоящие из агрегатов с сильными связями между частицами, неперспективны для создания нанокерамики, поскольку не устраненные прессованием внутриагрегатные полости при последующем спекании превращаются в поры, которые стягиваются только при очень высоких температурах. Причем агломераты с рыхлой упаковкой частиц при спекании дадут большие поры, стягивание которых потребует высоких температур и длительностей теплового воздействия. С другой стороны, агрегаты с плотной упаковкой могут претерпевать быстрое внутриагломератное спекание, образуя специфические пустоты.

Преобладание тех или иных связей между частицами порошка определяется химической природой порошка и его предысторией. В частности, во влажной среде поверхность частиц оксидов циркония и алюминия гидратируется, частицы связываются между собой водородными связями между гидроксо-группами. При сушке таких порошков могут быть образованы прочные химические связи:

Ме-0 + Н-О-Н →Ме-О-Н•••О-Меt◦C →Ме-О-Ме + Н20

В результате, при неправильно выбранном методе синтеза порошка, все частицы порошка могут быть собраны в прочные агрегаты. Сравнение свойств керамик YSZ, полученных из порошков, в синтезе которых применялась вода, с теми, которые получены из порошков, синтезированных по безводной технологии, показывает значительное преимущество последних. Так, плотность керамики, полученной при одинаковых условиях спекания из "безводного" порошка, была 98 %, тогда как "водного" - всего 86% .

Совокупность экспериментальных наблюдений позволяет сделать вывод, что поведение поликристаллического тела при спекании определяется не столько свойствами отдельных частиц, сколько свойствами агрегатов, и прочность связей между частицами порошка оказывает значительное влияние на процесс спекания и на конечные свойства керамики .

Проблемы прессуемости и рекристаллизации наноразмерных порошков значительно сузили возможности традиционных методов прессования и спекания в получении наноструктурных материалов и побудили к поиску новых подходов. Применение высокоинтенсивных методов прессования в комплексе с использованием слабо агрегированных порошков повышает однородность укладки и разрушает агрегаты частиц. В частности, магнитно-импульсный метод прессования нанопорошков позволяет эффективно преодолевать силы адгезионного сцепления и достигать более высоких плотностей прессовок. Импульсные методы прессования выгодно сочетают возможности генерирования новых состояний вещества и получения высокоплотных прессовок. Как показано в работах по магнитно-импульсному прессованию (МИП) керамических порошков, динамическое сжатие нанопорошков Al2O3, TiO2, TiN давлением 1-3 ГПа приводит к плотностям прессовок на уровне 0,7 - 0,8 % от теоретической, что на 10-15 % выше плотностей, достигаемых одноосным статическим сжатием при том же уровне давлений. Применение МИП позволяет заменить относительно дорогой метод горячего прессования на экономически привлекательную традиционную схему порошковой технологии: холодное прессование и последующее свободное спекание без давления.

Таким образом, спекание нанодисперсных порошков и получение керамики с размером зерна в субмикронной области предъявляет особые требования к исходным нанопорошкам, методам их компактирования и спекания. Слабая агрегированность нанопорошка, высокая плотность компактов, пониженные температура и длительность термообработки при спекании должны обеспечить высокую плотность керамики при минимизации укрупнения масштаба исходной наноструктуры.

1.3. Способы получения тонкодисперсных порошков

Применение новейших методов позволяет решать ряд сложнейших вопросов, связанных с порошками, а, следовательно, и с готовыми изделиями.

Приготовление керамического порошка является первой и наиболее ответственной стадией изготовления керамики, в которой в значительной мере закладываются ее свойства. Многочисленные исследования влияния строения порошков на спекание, микроструктуру и свойства керамики позволили сформулировать требования к так называемым "идеальным" порошкам: размер агрегатов должен составлять десятые доли микрона, агрегаты не должны слипаться и увеличиваться в размерах с течением времени, распределение компонентов по объему частиц должно быть равномерным.

Традиционные механические методы получения порошков (помол в шаровых и вибромельницах) в большинстве своем не обеспечивают тех требований, которые предъявляются к исходным порошкам для высококачественной керамики. Поэтому для получения высококачественных порошков требуются химические методы.

1.3.1. Метод осаждения в газовой фазе

Этим методом обычно получают вещество предшественника, которое после термической обработки в соответствующей газовой среде, образует порошок необходимого соединения. На осаждение оказывает влияние вид и концентрация исходных веществ, температура, давление, гидродинамика, наличие ПАВ и т.д. чаще всего осаждаемое вещество приливают или распыляют в избыток осадителя. В качестве осадителя предпочтительнее использовать вещества, образующие с большинством компонентов нерастворимые осадки (раствор аммиака, углекислый аммоний, щавелевая кислота, оксалат аммония). Контакт осадка с окружающей средой приводит к «старению» осадка, при котором мелкие частицы объединяются в агрегаты. Особенно интенсивно процесс «старения» происходит в водных растворах. Агрегация, намечаемая в маточном растворе, приводит к образованию прочных агрегатов. Наибольшее число агрегатов возникает при сушке, поэтому ее следует проводить при воздействии ультразвуковых колебании. Для значительного замедления процессов «старения» водные маточные растворы заменяют органическими.

1.3.2 Гидролиз элементорганических соединений

Этот метод достаточно хорошо управляем, и позволяет в зависимости от условий проведения процесса получать как кристаллы, так и аморфные осадки, а также гели. При гидролизе получают гидроксиды, которые при термообработке переходят в оксиды. Если термообработку вести в соответствующей среде, то можно поучать порошки карбидов, нитридов и сплавы. Недостатком этого способа является высокая стойкость элементорганических соединений и сложность работы с ними. В последние годы этим методом получены высокодисперсные порошки оксидов. Принципиально гидролиз элементорганических соединений можно отнести как к методу осаждения, так и к методу золь-гель.

1.3.3. Гетерофазный синтез в жидкой фазе

Гетерофазный синтез в жидкой фазе основан на топохимической реакции между твердой фазой и окружающей ее жидкостью.  Тонкодисперсный порошок помещают в жидкую фазу, где происходит внедрение ионов из жидкой фазы в твердую или обмен ионами между фазами. Например, твердые водорастворимые соли помещают в раствор аммиака, причем раствор - концентрированный, что приводит к замене аниона соли на гидро- ксильную группу. В отличие от обычных методов осаждения таким способом получают легко фильтруемые малогигроскопичные осадки. Отличительной особенностью этого метода является наследование размеров, формы и даже иногда элементов кристаллографической структуры. Гетерофазный синтез открывает широкие возможности для синтеза метастабиль- ных соединений.

1.3.4. Гидротермальный метод

Гидротермальным методом керамические порошки получают в среде воды или водных растворов при высоких температурах (часто выше 1000 °С) и давлениях (до 100 МПа). При таких условиях начинается растворение и химическая реакция, которые при обычных условиях не происходят. Для получения порошков используют реакции гидротермального осаждения, гидротермального разложения, гидротермальной кристаллизации и т. д.. В работе предлагается высокодисперсные порошки (9-35 нм) при 373-975° К и давлении 100 МПа гидротермальным окислением металлов и сплавов, при этом в случае использования сплавов получают более высокодисперсные порошки. Гидротермальный метод достаточно экономичен по потребляемой энергии, процесс происходит в замкнутой среде с использованием водных растворов, что делает его достаточно экологичным. Но периодичность процесса, его высокая стоимость и сложность эксплуатации оборудования пока сдерживает его широкое применение.

1.3.5. Процессы в газовой фазе

Процессы в газовой фазе нашли применение в области приготовления керамических порошков. Основу процессов в газовой фазе составляют: осаждение из газовой среды и гетерофазные процессы. Таким способом получают порошки оксидов, нитридов, карбидов и т.д. процессы можно проводить при повышенном, пониженном и атмосферном давлениях. В Японии изобретен аппарат для получения тонкодисперсных бескислородных порошков при осаждении из газовой фазы. Реакционные газы, в нем, свободно проходят через несколько, расположенных горизонтально, сетчатых или линейных нагревателей, имеющих большую контактную поверхность, и, взаимодействуя между собой, образуют порошок. Осаждением из газовой фазы удалось получить очень чистые неагрегративные порошки с узким распределением частиц по размерам. Размер образующихся частиц 0,1-0,4 мкм.

1.3.6. Топохимические реакция

Получение тонкодисперсных порошков при взаимодействии твердых частиц с газовой фазой относится к топохимическим реакциям. В этом методе получения порошков тоже возможно наследование формы и размеров исходных частиц. Основным недостатком метода является необходимость использования больших объемов исходных веществ для получения небольшого объема порошка.

1.3.7. Методы с участием плазмы

Эти методы широко используют для получения порошков, особенно бескислородных. Плазму получают с помощью электрической дуги, токов высокой частоты, лучистой энергии (лазер), теплоты химической реакции и т.д. Есть данные, что в плазме, полученной с помощью луча лазера в газовой фазе, синтезируются сублимированные, близкие к монофракционным порошки Si3N4, Si, SiC. Высокая температура процесса позволяетодновременно очищать материалы от примесей, которые испаряются из синтезирующихся частиц. Порошок, полученный плазмохимическим методом, имеет высокую удельную поверхность. Однако плазмохимический метод имеет ряд недостатков. Синтез частиц происходит в разном температурном режиме, поскольку по сечению режима температура изменяется от 1000 °С до комнатной. Время нахождения в зоне реакции тоже различно. Вследствие этого частицы порошка обладают разной активностью к спеканию. Процесс трудно регулировать, оборудование очень дорогое.

1.3.8. Электроэрозионный способ

Электроэрозионный способ получения порошков осуществляется за счет электроискрового разряда в соответствующей среде и приводит к электроэрозионному диспергированию электродов. Действие плазмы шарового разряда способствует химическому взаимодействию диспергированного металла с окружающей средой. Электроэрозионным методом при использовании электродов из высокочистых металлов можно получать высокочистые порошки. Недостатком этого метода является невозможность управлять параметрами шаровых разрядов.

1.3.9. Криохимвческин метод

Криохимический метод позволяет получать высокодисперсные порошки. Метод заключается в быстром замораживании распыленных растворов солей. Хорошие результаты дали опыты распыления в жидкий азот. Быстрое замораживание приводит к равномерному распределению частиц, т.е. компонентов, приближающемуся к их распределению в исходном растворе. Процесс усложняет удаление из гранул льда и делает его многостадийным, что является экономически не очень выгодным.

1.3.10. Методы разложения и твердофазный синтез

Методы разложения и твердофазный синтез в небрикетированном состоянии относятся к методам получения керамических порошков, где определяющими являются процессы в твердой фазе. Реакция разложения часто является одной из стадий процесса, например, разложения солей и гидрокси- дов, получаемых методом осаждения, электроэрозионным, криохимическим и другими методами. При использовании метода разложения процесс проводят настолько быстро, чтобы не допустить роста кристаллов и агрегации разлагаемого вещества и получаемых продуктов. Особенно важен быстрый нагрев при синтезе сложных соединений. В противном случае исходные вещества или получаемые после разложения продукты могут выделиться в виде отдельных фаз, что нарушит равномерность их распределения в смеси и затруднит их химическое взаимодействие друг с другом. Для ускорения процесса растворы распыляют в горячую печь.

Хорошие результаты дает метод твердофазного синтеза, когда его осуществляют не в брикете и при использовании смесей из высокодисперсных монофракционных порошков.

1.3.11. Золь - гель метод

Одним из важных разделов ультраструктурной технологии является использование золь - гель процесса. Золь - гель метод получения керамики и стекла в последнее время стал областью интенсивного исследовательского интереса. Вероятно, это объясняется осознанными технологическими возможностями:

  •  возможность получения полностью плотных аморфных твердых тел при температурах на сотни градусов ниже, чем температуры, требуемые по традиционным технологиям;
  •  возможность получения материалов с новыми распределениями составляющих фаз;
  •  возможность получения материалов с регулируемым распределением частиц по размерам, а также тел с контролируемыми степенями пористости в широком диапазоне;
  •  возможность получения порошков высокой дисперсности (0,1-0,05 мкм) и чистоты благодаря тому, что можно избежать стадии измельчения;
  •  большая однородность материала, которая достигается за счет перехода от кристаллических материалов к растворам.
  •  большая степень химической чистоты, т.к. исключаются операции загрязняющие материал.

К недостаткам метода можно отнести: непригодность для получения крупномасштабных изделий, высокую стоимость сырьевых материалов, большую длительность процесса, значительную объемную усадку при получении монолитных изделий, наличие остаточного углерода, вредность органических компонентов для здоровья.

Название метода золь - гель используют сравнительно недавно. Поэтому это определение до сих пор еще не стало ясным и в достаточной степени определенным. Однако в основном под этим термином понимают следующее: золь - гель служит выражением дисперсного состояния, используемого в коллоидной химии.

Золи - это коллоидные системы, микрочастицы твердой фазы равномерно распределены в жидкой среде. Свойства золей определяются особенностями твердой фазы, размерами и формой диспергированных частиц, характером взаимодействия твердого вещества и жидкости. Роль диспергированных частиц могут играть и гигантские молекулы некоторых высокомолекулярных соединений. В случае низкомолекулярных соединений, отличающихся поверхностной активностью, частицы твердой фазы образуют в золе мицеллы.

Гелями называют системы, промежуточные между твердыми телами и

жидкостями, состоящие из больших молекул (дисперсная фаза) и растворителя (дисперсионная среда). Частицы дисперсной фазы соединены между собой в пространственную сетку, которая содержит в своих ячейках дисперсионную среду.

Гели классифицируют по форме и по типу. По форме различают студни (лиогели), осажденные гели (коагели) и высушенные гели (ксерогели). По типу гели бывают неорганические (А12О3, Fe2O3, Cr2O3, BaSO4, СаСО3, силикагель), органические, природные ВМС (крахмал, желатин, агар, каучук, пластмассы) и синтетические ВМС (поливинилацетат, полиакриловая кислота).

В соответствии с макроскопическими изменениями системы обычен процесс, протекающий в последовательности: жидкофазные реакци-> золь -> гель (микроскопический), сопровождающийся постепенным увеличением упорядоченности.

Необходимо отметить, что золь - гель процесс, в своем классическом варианте, включает в отдельную стадию синтез золя. Но в области керамики и стекла термин золь - гель приобрел более широкое значение. Он также включает использование металлорганических соединений, например, алкок- сиды, которые могут быть частично гидролизованы и затем полимеризованы в обыкновенный гель, где классический золь никогда не существовал.

В том случае, когда не ясно, могут ли коллоидные частицы существовать на той или иной стадии процесса, когда нет доказательства наличия коллоидного золя, то использование термина золь - гель следует лучше понимать в значении - «застывание раствора».

Согласно принятой классификации существует два варианта золь - гель процесса: полимеризационный и коллоидный. В соответствии с этим различают полимерные и коллоидные гели.

Полимерные гели

Полимерные оксидные гели преимущественно получают из алкок- сидов металлов. Эти составляющие имеют общую формулу М(ОR)n, где М - ион металла , а R - алкильная (спиртовая) группа Большое разнообразие алкоксидов металлов сейчас выпускается промышленностью. Некоторые алкоксиды все еще синтезируются для использования исследователями в области золь-гель.

При добавлении воды алкоксиды металлов хорошо гидролизуются и, при соответствующем контроле за реакциями гидролиза - конденсации, могут быть образованы полимеризованные оксидные структуры. Для получения полимерного геля алкоксиды металлов часто растворяют в безводных органических растворителях и частично гидролизуют при добавлении менее сте- хиомегричеосого количества воды.

Реакция гидролиза может быть представлена следующим образом:

M(OR)n+xH20 M(OH)x(OR)n-x+xROH

За гидролизом следует поликонденсация с целью образования М-О-М связей по одной из двух следующих реакций:

а) дегидратации:

-М-OH+HO-M-  -»-M-O-M-+H2O

б) деалкоголяции:

-М-OH+RO-M-  → -M-O-M-+ROH)

Реакции этого типа делятся на 2 категории. Первая, когда все катион- ные составляющие представлены алкоксидом, и вторая, когда по причине стоимости, доступности или удобства некоторые легко диффундирующие компоненты добавлены как растворимые соли металла

Коллоидные золи

Золь - гель, полученный из коллоидных золей, наилучшим образом подходит к общему определению золя как стабильной дисперсии коллоидных частиц в жидкости. Золи металлического золота или гидроксида железа известны многие годы, но имеют очень низкие концентрации металлов.

Для превращения в гели коллоидные золи, возможно, имеют концентрацию металла в 104 раз выше, чем у классических золей. Именно эта высокая концентрация позволяет межчастичным силам превращать золь в полу застывший гель. Эти процессы формируют основу раннего использования термина «золь-гель керамика», относящегося к материалам ядерного топлива.

Коллоидные гели образуются из растворов солей металлов (хлориды, нитраты, сульфаты и др.) и оксидных и щдроксидных золей. Необходимо отметить, что не все оксиды и гидроксиды - даже с одним и тем же катионом - образуют золи. Например, бемит и аморфный осадок, полученный холодным гидролизом нитратов или алкоксидов алюминия, могут быть пептизиро- ваны в золь, а байериг не образует золя. Кроме того, различные кислоты пеп- тизируют золи с различными степенями эффективности.

Эта категория золь-гель процесса может быть, в свою очередь, подразделена на процессы, где коллоидные золи образованы по механизму осади- тельной пептизации и те, где коллоидные золи образованы расшиванием очень тонких частиц.

Диспергированные коллоидные частицы.

При этом варианте золь-гель процесса формируемые ультрадисперсные частицы диспергированы в жидкости для образования стабильных золей. Для керамики метод часто включает диспергирование высушенных частиц.

1.4. Полиморфизм Аl203 в наноструктурном состоянии и методы управления рекристаллизацией для получения керамики оксида алюминия

Процесс получения наноструктурной керамики Аl2О3 имеет особенность, связанную с тем, что исходные порошки состоят в основном из метастабильных γ- и δ-форм Аl2О3. Из-за этого спекание керамики сопровождается рядом полиморфных превращений исходных форм в стабильный α - Аl2О3 (корунд). При этом процессы рекристаллизации с трудом поддаются управлению, и α - Аl2О3 образуется в виде зерен, размер которых во много раз превышает размер исходных частиц. Например, при микроволновом спекании Аl2О3, средний размер зерна при полиморфном превращении увеличивался с 30 до 200 нм. Кроме этого, именно в процессе полиморфного перехода образуется сеть вермикулярных (червеобразных) пор, не позволяющих приблизиться к теоретической плотности. Таким образом, задача получения высокоплотной керамики с наноразмерной структурой, в первую очередь, связана с управлением полиморфным переходом метастабильных форм в корунд.

Известно несколько путей управления переходом. Во-первых, это создание в исходном материале достаточной концентрации центров кристаллизации α-фазы. Например, добавлением определенного ее количества в исходный порошок.

Преимуществом этого пути является возможность прямого управления концентрацией зародышей α-фазы, и, следовательно, скоростью полиморфного перехода. Кроме этого, интенсивное образование центров кристаллизации α-фазы может быть обеспечено механической активацией материала в процессе компактирования. При этом происходит увеличение числа механических контактов между частицами исходных метастабильных фаз, а именно эти контакты являются местами вероятного зародышеобразования α- Аl2О3. Так, увеличение давления прессования порошка γ- Аl2О3 с 0,1 до 1,6 ГПа понижает температуру образования α-Al2О3 на 20 - 50° С. Это происходит как за счет формирования большого количества центров кристаллизации α- Аl2О3, так и за счет превращения исходных форм Аl2О3 в ϴ-форму, образование которой как раз и является лимитирующей стадией в многоступенчатом процессе превращения γ→δ →ϴ→α. Последняя стадия процесса, превращение ϴ в α происходит быстро и не требует для инициации повышенных температур.

Повышение плотности прессовки Аl2О3 не только облегчает полиморфный переход, но и может инициировать процессы перегруппировки частиц в ходе рекристаллизации, которые будут способствовать образованию более плотной упаковки зерен и получения беспористой керамики. Многочисленные наблюдения зафиксировали повышенную, по сравнению с расчетной, величину усадки при полиморфном переходе. Так, например, была зафиксирована усадка при полиморфном переходе в оксиде алюминия, в 10 раз превышающая расчетную. Зафиксирован подобный эффект при спекании TiO2, сопровождающийся, аналогично Аl2О3, переходом анатаза в более плотный рутил. При этом изменение плотности материала, связанное с уменьшение молярного объема, можно выразить как:

ΔρR = (ρеo)/ ρо

где ρе и ρo - плотности конечной и начальной полиморфных форм, соответственно.

Схема процесса, приводящего к «гиперусадке», изображена на рис.1.4.1. Данная схема перестановки зерен показывает, что при средней плотности упаковки зерен, или при их несимметричном расположении, уменьшение молярного объема может вызвать несимметричные межчастичные силы, заставляющие частицы скользить и поворачиваться. В результате, на стадии полиморфного перехода материал уплотняется намного больше. Сверхплотная или рыхлая упаковка материала не дают такого эффекта.

Рис. 1.4.1. Схема эволюции структуры поликристаллического Al2O3

а) полиморфный переход и рост зерна в прессовке при плотной упаковке             ΔρR = 8,9 %(расчетное значение)

б) фазообразование, фазовый переход и рост зерна при низкой плотности материала

ΔρR = 8,9 % (расчетное значение)

в) фазообразование, фазовый переход, перестановка и рост зерна при средней плотности

материала ΔρR > 8,9 %

Эффективным инструментом зародышеобразования α-фазы в исходном Al2O3 порошке оказалось импульсное компактирование с применением волн сжатия амплитудой до 22 ГПа.

Также широко известен прием введения в порошок определенных добавок для оптимизации спекания. В частности, при спекании керамики из стандартных микронных порошков, введение небольших количеств магния (1 масс%) в α- Al2O3 ускоряет усадку и замедляет рост зерна. Введение TiO2 в α- Al2O3 понижает температуру спекания и ускоряет рост зерна. Таким образом, допированием γ- Al2O3 нанопорошка можно оказывать существенное влияние на полиморфные превращения, и дальнейшее спекание образующегося α- Al2O3. Распространенная добавка TiO2 не влияет на полиморфный переход, но облегчает достижение полной плотности при спекании, тем самым минимизируя термическую обработку. При этом наблюдается существенный рост зерна. Это связано с тем, что присутствие титана модифицирует процесс рекристаллизации γ —» α- Al2O3 вызывая анизотропный рост образующихся кристаллитов α- Al2O3 вдоль преимущественного направления. В колониях кристаллитов, одинаково ориентированных, поры быстро залечиваются и образуются очень большие кристаллиты .

Существует большой ряд добавок, образующих на границах зерен Al2O3 фазы, увеличивающие подвижность границ, например Zn, Cu, Mn, V и т.п. Все они позволяют понизить температуру спекания, но при этом образуют крупнокристаллическую структуру с низкими механическими свойствами.

Для минимизации укрупнения масштаба структуры спекаемой керамики наиболее интересны добавки магния и циркония: эти допанты сдерживают полиморфное превращение γ- Al2O3 в α-форму, увеличивают скорость усадки и замедляют рост зерна α- Al2O3. Роль этих допантов состоит в ограничении зернограничной диффузии за счет распределения примесной фазы, в случае магния - шпинели MgAl2O3 , в случае циркония – ZrO2, по границам зерен α- Al2O3. При этом подавляется рост зерна и обеспечивается более однородная микроструктура.

Широко известны эффекты повышения эксплуатационных характеристик керамики α- Al2O3, допированной магнием или цирконием по мере уменьшения среднего размера кристаллов до сотен нанометров. Повышение стойкости к абразивному износу на три порядка величины для оксида алюминия, усиленного 11 об. % ZrO2, за счет создания однородной субмикронной структуры плотной керамики в сравнении с микрокристаллической керамикой аналогичного фазового состава. Повышение износостойкости керамик с субмикронным масштабом структуры на основе  Al2O3 с уменьшением размера кристаллитов было показано и при других способах испытаний: индентировании , прочности на изгиб.

Таким образом, задача получения наноструктурной корундовой керамики из нанопорошков метастабильных γ и δ- форм Al2O3 при сохранении наноструктуры может решаться, во-первых, путем интенсивной механической активации порошка в процессе высокоэнергетичного компактирования до высокой плотности, во-вторых - введением добавок, сдерживающих полиморфный переход и рост зерна при спекании. При этом температура и длительность спекания должны быть минимизированы.

1.5. Применение керамик

Полученный комплекс результатов позволяет направленно регулировать структуру и свойства керамических материалов на основе порошков оксида алюминия различной дисперсности и получать широкий спектр керамических изделий.

Рассмотрим ряд конкретных примеров практического применения.

1.5.1. Доокисление отработанных газов двигателей внутреннего сгорания (ДВС).

Доокисление отработанных газов двигателей внутреннего сгорания (ДВС) является одной из наиболее сложных и актуальных проблем защиты окружающей среды от загрязнения токсичными веществами.

К каталитическим конверторам выдвигаются жесткие требования, поэтому катализатор доокисления отработанных газов ДВС (катализатор трехкомпонентной очистки – CO/NOx/CnHm, TWC- катализатор) - это комплексная система, включающая блочный керамический носитель с нанесенным активным слоем, который обладает достаточно высокой удельной поверхностью (как правило, это метастабильные модификации оксида алюминия).

При доокислении отработанных газов ДВС одной из проблем является хрупкость керамического носителя. Обычно, носитель производят в виде блочной матрицы сотовой структуры из синтетического кордиерита (размер ячеек 1.0 х 1.0 мм, толщина стенки 0.2 мм) пористость матрицы ~ 40%. Их механическая прочность на сжатие вдоль каналов составляет 50 МПа, поперек каналов - 20 МПа .

На рис. 1.5.1.1 приведены микрофотографии излома образца керамической блочной матрицы. Образец характеризуется бимодальным распределением пористости двух видов. Изолированные поры размерами 0.5-1.0 мкм,которые расположены в крупных сочленениях зерен (рис. 1.5.1.1.a) или на прерывистой границе сопряжения зерен (рис. 1.5.1.1.б); крупные канальные поры выполняют роль транспортных пор (рис. 1.5.1.1.а).

Рис. 1.5.1.1 - Электронные микрофотографии керамических блочных матриц: а – х1000; б - х4000.

Исследования поровой структуры керамик на основе порошков оксида алюминия различной дисперсности, полученные, в рамках данной диссертационной работы показали, что разработанная нами керамика имеет схожую структуру с бимодальным распределением пор (рис. 5.2-13). Варьируя содержание плазмохимического порошка в исходной смеси порошков, можно либо увеличивать, либо уменьшать размеры каналообразующих пор (рис. 5.14), регулируя тем самым пропускную способность таких носителей катализаторов. При этом использование наноструктурного порошка оксида алюминия придает керамическому каркасу повышенную прочность (рис 6.5).

Другая проблема, возникающая при эксплуатации катализаторов, - это работа при температурах 600-900°С. Под воздействием таких температур в нанесенном на блочную керамическую матрицу активном слое происходит переход активного γ-Al2O3 в другие кристаллические модификации с меньшей удельной поверхностью.

На сегодняшний день, с целью повышения термической устойчивости, γ-Al2O3 стабилизируют легирующими добавками, такими, как: СеO2, La2O3. Однако эффективность легирующих добавок различной природы трудно предсказуема и определяется как их концентрацией, так и условиями синтеза Al2O3.

Исследования фазового состава наноструктурного плазмохимического порошка Al2O3 при различных температурах отжига, описанные в четвертом разделе диссертационной работы, показали , что при термическом воздействии переход  γ→α-Al2O3 происходит в области температур 1150-1200°С и носит «взрывной» характер. Это говорит, о том, что данный порошок, возможно, использовать в качестве активного слоя4 блочной матрицы носителя катализатора, способного эффективно работать при доокислении выхлопных газов в условиях повышенных температур, без применения легирующих добавок.

1.5.2. Разработка керамических фильтрующих материалов с регулируемой поровой.

Керамические фильтрующие элементы, применяемые в промышленности, как правило, имеют многослойную структуру. Тонкий селективный! слой (мембрану) и промежуточные слои наносят на пористую подложку, придающую требуемую прочность всему фильтрующему элементу. При эксплуатации фильтры часто подвергаются действию повышенных давлений и механических нагрузок, что обусловливает необходимость использования в этих установках высокопрочного материала. При этом подложка должна иметь высокую пористость для снижения сопротивления входящему потоку.

На рис. 1.5.2.1. представлена структура многослойной трубки, приготовленной в Гермсдорфском институте технической химии (ГИТХ). Материалом в качестве подложки в этой трубке, которая имеет диаметр 10 мм при толщине стенок 1,5 мм, являются подвергнутые спеканию частицы оксида алюминия с порами размером 3 мкм и пористостью 30% [22]. Промежуточные слои могут иметь поры размером от 60 до 200 нм, а третий cлой - непосредственно сама мембрана - имеет размер пор до ~ 2 нм.

Керамические многослойные фильтры и мембраны практически лишены недостатков полимерных мембран (низкая механическая прочность, химическая деградация за счет гидролиза, ограничение по температуре, микробное воздействие, радиационное разрушение), но имеют очень крупный собственный недостаток - хрупкость. 

Рис.1.5.2.1 Структура многослойного керамического фильтра

1.5.3. Применение в медицине.

Еще одним из наиболее перспективных направлений применения керамики, интенсивно развивающихся в настоящее время, является медицина. Использование керамических материалов существенно расширяет возможности лечения большинства заболеваний, в частности ортопедических, стоматологических и челюстно-лицевых. Одна из глобальных проблем современного медицинского материаловедения -создание искусственной кости. Последнее открывает принципиально новые возможности использования керамики для заместительной и восстановительной хирургии, нейрохирургии, стоматологии.

Основной проблемой при создании искусственной кости является воссоздание структуры костной ткани. Это связано с тем, что биомеханическая совместимость искусственного эндопротеза с костной тканью достигается в случае максимального приближения его структуры и свойств к структуре и свойствам кости. Скелет человека состоит из двух типов костной ткани: кортикальной (компактной) кости, на долю которой приходится 80% от общей массы скелета взрослого человека, и губчатой (трабекулярной), представляющей 20% скелета, но являющейся наиболее метаболически активной. В качестве примера на рис. 1.5.3.1 приведена структура берцовой кости с отдельно выделенным фрагментом структуры компактной костной ткани.Видно, что структура кортикальной костной ткани весьма неоднородна, размер пор, в зависимости от участка костной ткани, колеблется от 2 до 100 мкм при общем объеме порового пространства до 50%. При создании искусственных эндопротезов для замены утраченных фрагментов костной ткани возможно более точно воссоздать необходимую структуру и свойства утраченной костной ткани, улучшив, тем самым, их биосовместимость. 

Рис. 1.5.3.1 Структура компактной берцовой кости

РАЗДЕЛ 2. ОПИСАНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1 Сканирующий электронный микроскоп

Полученные порошки изучали на электронном сканирующем микроскопе Karl Zeiss EVO 50 (Рис. 2.1.1). (Увеличение от 30 до 100000 крат  при разрешающей способности до 1 нм).

Рис. 2.1.1. Сканирующий электронный микроскоп Karl Zeiss EVO 50

2.2 Изучение фазового состава частиц осадка

Рентгеновский фазовый анализ порошков проводили на установке ДРОН-3 по стандартной методике. Съемку дифрактограмм вели на CuKα отфильтрованном излучении (фильтр – никелевый) при напряжении на трубке 30 кВ и силе тока 20 мА. Для идентификации фаз использовали данные картотеки ASTM.

Петрографическое исследование порошковых проб с помощью иммерсионных препаратов проводили в проходящем свете на поляризационном микроскопе Полам Р – 211. Данным методом идентифицируют фазовый состав, устанавливают размеры частиц порошка и их морфологию. Петрографический метод позволяет также определять состав аморфных фаз, которые не идентифицируются путем РФА (так называемых рентгеноаморфных фаз). Кроме того, он делает возможным определение малых количеств примесей, которые также не определяются рентгенофазовым анализом.

В основе петрографического метода лежит определение показателя преломления исследуемых  частиц, который является оптической константой данного вещества. По показателю преломления устанавливается конкретная фаза и тип ее кристаллической решетки.

2.5 Определение прочностных свойств спеченных керамик

Предел прочности: при изгибе, при осевом сжатии и при растяжении (по методике диаметрального сжатия), определяли при комнатной температуре с использованием установки TIRATEST-2300

Прочность при ударном изгибе определяли с использованием маятникового копра.

Критический коэффициент интенсивности напряжений - К– параметр, характеризующий сопротивление инициированию разрушения, определяли при комнатной температуре в условиях трехточечного изгиба призматических образцов с боковым надрезом. Испытание проводили на установке TIRATEST-2300

2.6. Рентгеновский фазовый анализ

Анализ фазового состава спеченных образцов осуществлялся с помощью дифрактометра ARL X’TRA-145. Рентгенограммы были получены при U = 45 kV и I = 35 mA с использованием рентгеновской трубки с медным анодом (К  = 1, 541 А). Сканирование дифракционной картины проводилось в диапазоне 2 = 30÷140 с шагом  = 0,02 и временем экспозиции 10 с. Качественный фазовый анализ был выполнен с помощью пакета компьютерных программ Match и базы данных PDF-2.


РАЗДЕЛ 3. ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЧАСТЬ

3.1. Особенности технологического процесса получения керамики из продукта химического диспергирования сплава Al-Si (12%масс.).

В основе процесса химического диспергирования данного сплава лежит химическое взаимодействие, описываемое следующей реакцией:

2Al + Si + 3NaOH + 5H2O = Al (OH)3↓ + Na2SiO3↓ + NaAlO2 + 5H2↑(3.1)

Продуктами этой реакции являются: смесь гидроксида алюминия с метасиликатом натрия, выделяющаяся в виде осадка, раствор алюмината натрия и водород. Состав осадка был установлен методом рентгенофазового (РФА) и петрографического анализа.

Осадок промывали (6-18 декантаций, табл.3.1.1), высушивали при 60°С (рис. 3.1.6), термообрабатывали на воздухе (1350°С) (рис.3.2.2) до образования  доминирующей алюмооксидной фазы:

Al(OH)3 → Al2O3 + H2O (пар) (3.2)

При этом метасиликат натрия расплавлялся (Тпл=1089°С), равномерно покрывая зерна оксида алюминия, и насыщался ионами алюминия с образованием расплава нефелина (Тпл=1275°С):

Na2SiO3 (расплав) + Al+3NaAlSiO4 (расплав) (3.3)

После охлаждения полученный продукт представлял собой спек. Из измельченного спека получали шихту для прессования изделий.

В процессе спекания прессовок (1500°С) также имело место образование расплава нефелина, температура плавления которого ниже температуры спекания (нефелин зафиксирован в спеченном материале методом РФА – 25% об). Таким образом, имело место спекание с участием жидкой фазы. При охлаждении спекаемых изделий расплав нефелина кристаллизуется в гексагональной сингонии, соответствующей кристаллической структуре α – Al2O3.

Следует отметить, что исходный неотмытый осадок (n=0, табл.3.1.1) приходилось высушивать при повышенной температуре – 200°С, при этом образовывался прочный корж, трудно разрушаемый на отдельные куски (рис. 3.1.6). Это связано, по-видимому, с протекающим процессом полимеризации гидроксида алюминия при избыточном содержании щелочных ионов ОН- с образованием полимерной цепи (НО)2-Al-О-Al-(ОН)2.

Этот процесс требует термической активации (200°С), в то время как испарение адсорбированной, химически несвязанной воды (в случае сушки отмытых осадков, n=6 и n=18) наблюдается при значительно меньшей температуре - 60°С.

Отметим также, что после термообработки на воздухе (1350°С) исходный осадок (n=0) представлял собой твердые агрегаты, которые чрезвычайно трудно измельчались до состояния дисперсного порошка, используемого для приготовления шихты. Измельчение указанных агрегатов проводили вручную с использованием фарфоровой ступки и пестика, интенсивно воздействуя ударом и истиранием.

Тогда как оба отмытых осадка (n=6 и n=18) легко растирались в ступке пестиком до состояния дисперсного порошка.

Фазовый состав исходного осадка (n=0), а также его фазовый состав после термообработки на воздухе и в составе спеченных образцов следует изучить в ходе дальнейшего исследования. Это позволит установить специфику спекания данного материала.

Особенностью процесса отмывки осадка (табл.3.1.1) является неизменность показателя рН – среды после 12-ой декантации, что связано с невозможностью удаления ионного слоя (рис. 3.2.4), состоящего из гидроксильных групп ОН-, с поверхности частиц осадка, обладающих повышенной адсорбционной способностью.  Количество гидроксильных групп (их концентрация) в составе ионного слоя связано со степенью дисперсности частиц осадка: чем выше дисперсность частиц, тем больше концентрация гидроксильных групп. По-видимому, удаление рассматриваемого ионного слоя возможно только химическим методом, например, путем кислотной отмывки. Однако, при этом, следует ожидать изменения фазового состава спеченного материала: может не произойти синтез нефелина.

Методом мокрого ситового анализа показано (рис. 3.1.4 и 3.1.5), что основную массовую долю частиц осадка составляют дисперсные частицы, прошедшие через сито с размером ячеек – 50 мкм. По-видимому, это частицы микронного, субмикронного и наноразмерного диапазона соединений: Al(OH)3 и Na2SiO3. Распределение частиц по размерам внутри этой фракции (<50 мкм) в дальнейшем следует установить с использованием других методик (РЭМ, лазерная дифракция, электроакустический метод).

Рис.3.1.1 Тонкая структура порошка

          Следует учесть, что повышенная адсорбционная способность частиц данного осадка по отношению к гидроксильным ионам напрямую связана с их весьма высокой дисперсностью.

Рис.3.1.2 Тонкая структура порошка

        В тоже время, в результате химического диспергирования наблюдается образование зернистых фракций (от 63/50 мкм до > 1000 мкм) (рис.3.1.5). Образование дисперсной (<50 мкм) и зернистых фракций объясняется механизмом химического диспергирования, рассмотренном ранее.

В этом случае зернистые фракции образуются вследствие протекания зернограничной коррозии диспергируемого алюминиевого сплава, а дисперсная фракция является продуктом взаимодействия раствора щелочи с поверхностью зерен сплава. Доминирование того или иного процесса определяет соотношение этих фракций в осадке.

При  этом зернистые фракции представлены, как правило, металлическими частицами с тонкой металлогидроксидной оболочкой.

Рис.3.1.3 Фазовый состав порошка

Значения показателя pH среды для осадка – продукта химического диспергирования сплава Al-Si (12%масс.)

Таблица 3.1.1

Показатель pH среды после n-кратной отмывки осадка путем декантации;
n = 0…18

n

0*

1

2

3

4

5

6**

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18***

pH

12,9

12,7

12,6

12,4

12,1

11,9

11,8

11,1

10,8

10,7

10,5

10,4

10,3

10,3

10,3

10,3

10,3

10,3

10,3

* — значение pH при n = 0 относится к исходному осадку до его отмывки;

** — после шестикратной декантации при значении pH = 11,8, принятом как среднее значение, производили отбор части осадка для изготовления образцов (при n=6 наблюдалась коагуляция осадка);

*** — значение pH = 10,3 соответствует максимальной степени отмывки осадка.

Рис. 3.1.4. Распределение массовой доли частиц осадка – продукта химического диспергирования сплава Al-Si (12%масс.), по фракциям в результате мокрого ситового анализа; (числитель – размер ячеек верхнего сита, через которое прошли частицы осадка, знаменатель – размер ячеек нижнего сита, задержавшего частицы осадка).

Рис. 3.1.5.. Вид частиц осадка – продукта химического диспергирования сплава Al-Si (12%масс.), распределенного по фракциям методом мокрого ситового анализа (подложка – миллиметровая бумага).

Рис. 3.1.6. Вид высушенного осадка – продукта химического диспергирования сплава Al-Si (12%масс.)

1 – неотмытый осадок (pH = 12,9); 2 – осадок со средним значением pH = 11,8 и при значении pH = 10,3, соответствующим максимальной степени отмывки.

3.2. Технологическая схема спекания

Режим термообработки исходного гидроксида алюминия для образования γ и  α – модификаций Al2O3

Термообработка исходного порошка Al(OH)3 на воздухе (операция 1) является обязательной технологической операцией в данном процессе. Ее цель – проведение дегидратации гидроксида алюминия и его перевод в γ и α – модификации Al2O3 (это две основные модификации корунда).

Из экспериментальной практики известно, что переход гидроксида алюминия в γ - Al2O3 происходит в температурном интервале 290 – 550°С, а γ - Al2O3 в высокотемпературную α – модификацию Al2O3 - при температуре выше 1200°С. Как правило, после нагрева Al(OH)3 в температурной области 1200 – 1350°С при определенной изотермической выдержке образуется смесь γ и α – модификаций Al2O3. Превалирование той или иной модификации корунда в смеси определяется выбранными температурно-временными параметрами термообработки.

Важность такой термообработки обусловлена необходимостью частичного или полного завершения усадочных процессов в объеме порошка (объемная усадка γ → α перехода для Al2O3 составляет 14,3%). Если усадка в объеме порошка произошла недостаточно, то это может стать причиной разрушения или деформации спеченного изделия, полученного методом прессования. В данном случае, вследствие даже незначительной неравномерности усадки в объеме прессовки, может происходить отрыв локальных областей спекаемого материала с нарушением его сплошности.

В тоже время, использование такого режима термообработки, при котором в исходном порошке полностью завершается γ → α переход, является нецелесообразным. Это связано с тем, что тогда активность порошка к спеканию резко снижается, вследствие чего прочность спеченного изделия будет невысока. По-видимому, для получения удовлетворительных показателей механических свойств материала следует стремиться к сохранению оптимальной активности порошка к спеканию и завершению γ → α перехода в изделии в процессе окончательного обжига.

Таким образом, в данной части работы необходимо было выбрать режим термообработки порошка Al(OH)3, обеспечивающий достаточное протекание усадки в его объеме и сохранение его оптимальной активности к спеканию. Нахождение такого компромисса возможно только экспериментальным путем. На данном этапе исследования был выбран режим (рис. 4.2.2)  1350 °С и время изотермической выдержки 1 час.

рис 3.2.1.. Режим термообработки порошка гидроксида алюминия.

T – температура, τ – время,  – выключение печи.

Технологический процесс изготовления керамических образцов из осадков – продуктов химического диспергирования данных алюминиевых сплавов, описывается последовательностью технологических операций, приведенных на рис.3.2.2.

Рис. 3.2.2. Вид и последовательность технологических операций для получения керамики из продуктов химического диспергирования сплава Al-Si (1,5%масс.)

В этой технологии используются известные и общепринятые, как в керамической технологии, так и в порошковой металлургии, процессы и оборудование.

Исключение составляет только первая технологическая операция: для ее реализации потребовалось разработать конструкцию и изготовить реактор для химического диспергирования алюминиевых сплавов, взятых в виде стружки, опилок, кусков как отходов металлообработки.

Такой реактор оснащен системой теплоотвода из реакционного объема. Необходимость этого связана с тем, что реакция химического диспергирования (алюминиевый сплав + водный раствор щелочи) является экзотермической и отсутствие указанной системы будет приводить к закипанию продуктов реакции и их выбросу из емкости. Кроме того, он оборудован системой газоотвода, поскольку реакция химического диспергирования сопровождается интенсивным выделением водорода.

Полученный осадок (в виде суспензии) – продукт вышеуказанной реакции, находится в щелочной среде, поэтому необходима процедура его отмывки от щелочи путем декантации (технологическая операция №2).

Для этого используется емкость из щелочестойкого пластика (рис.3.2.3), в которую выливают осадок. Затем в эту емкость наливают значительный объем воды (в расчете: 12 – 15 литров воды на 300 – 500 г высушенного осадка), далее производят перемешивание и отстаивание осадка в течение 40-60 минут. И наконец, образовавшийся слой жидкости над осадком аккуратно сливают в канализацию, оставляя осадок в емкости. Декантацию проводят многократно до заданного значения рН – среды, которую контролируют при помощи рН – метра, помещая его электроды в суспензию после слива слоя жидкости.

Рис. 3.2.3. Иллюстрация к процессу отмывки осадка методом декантации.
1 – емкость из щелочестойкого пластика; 2 – отмываемый осадок (суспензия) после отстаивания; 3 – сливаемый слой жидкости над осадком

Следует отметить, что начиная с определенного числа декантаций (в условиях эксперимента – после 6 – ой декантации) наблюдается коагуляция суспензии и ее быстрое осаждение на дно емкости.

Это может быть объяснено с позиций теории электролитов. Согласно представлениям этой теории вокруг каждой частицы осадка  (суспензии) образуется двойной электрический слой (7), который обеспечивает электростатическое отталкивание мицелл (8). Благодаря этому эффекту наблюдается агрегативная устойчивость суспензии: оседания частиц на дно емкости не наблюдается в течение длительного времени.

Рис. 3.2.4. Схематическое изображение структуры отмываемого осадка (суспензии).
1 – частицы осадка; 2 – ионный слой, состоящий из гидроксильных групп
OH-; 3 – противоионный слой, состоящий из ионов Na+; 4 – адсорбционный слой; 5 – диффузный слой; 6 – мицелла (ионогенный комплекс); 7 – двойной электрический слой; 8 – электростатическое отталкивание мицелл (область между пунктирной и сплошной линией иллюстрирует смещение мицелл в результате электростатического отталкивания).

В результате последовательных декантаций происходит уменьшение концентрации ионов Na+ в диффузном слое (5) вследствие их удаления из суспензии, сила электростатического отталкивания мицелл значительно понижается и, в конечном итоге, диффузный слой перестает выполнять функцию экранирующей прослойки между соседними мицеллами в суспензии. Начиная с этого момента, силы межмолекулярного взаимодействия между дисперсными частицами осадка превалируют над силами электростатического отталкивания, и поэтому наблюдается  коагуляция частиц. При этом достигается снижение поверхностной энергии системы.

После завершения отмывки осадка его отделяют от жидкости путем вакуумной фильтрации (технологическая операция № 3).

После сушки отмытого осадка на воздухе (технологическая операция №4) получают порошковый продукт, который  термообрабатывают на воздухе (технологическая операция №5) с целью синтеза оксидной фазы.

Для приготовления шихты (технологическая операция №6) в порошок вводят временную органическую связку, в качестве которой выбран поливиниловый спирт (ПВС). Использовали 10% водный раствор ПВС. Его количество (% масс, в пересчете на сухой остаток вещества), по отношению к навеске порошка, подбирали экспериментально, добиваясь получения качественных, бездефектных прессовок. В данном эксперименте количество ПВС варьировалось от 9 до 10 % масс в зависимости от дисперсности используемого оксидного порошка (для порошка с большей дисперсностью требуется большее количество органической связки для его пластификации).

Прессование образцов (технологическая операция №7) проводили в стальной пресс-форме, применяемое давление прессования – 200 МПа позволяло получать прочный сырец, который не разрушался (например, путем выкрашивания или растрескивания) при последующих технологических действиях.

Выжиг органической связки из отпрессованных образцов проводили на воздухе в сушильном шкафу СНОЛ – 3,5. Для этого образцы устанавливали на огнеупорную керамическую подставку и помещали в сушильный шкаф. Режим удаления связки подобран экспериментально (рис. 3.2.5.). Изотермическая выдержка (1 час) при температуре 200°С обусловлена началом интенсивного газовыделения продуктов сгорания ПВС из объема образцов. Выделяющиеся газы создают давление внутри образцов, поэтому во избежание их разрушения следует прекратить подъем температуры с целью медленного отвода газов. Далее температуру увеличивали до 350°С (изотермическая выдержка 1 час). По завершении изотермической выдержки временная органическая связка считается удаленной из прессовок (так как % потери массы образцов соответствовал исходному процентному содержанию в них ПВС).

Процесс сгорания органической связки рассматривается как взаимодействие кислорода воздуха с углеводородной цепочкой полимера с образованием СО, СО2 и Н2О (пар) (химическая реакция в системе «газ – твердое»). В случае неполного удаления связки в сырых образцах может сохраняться углеродный остаток, который приведет к образованию карбидных фаз в спеченном материале. Вследствие этого контроль полноты удаления связки весовым методом является весьма важным. Разумеется, температурно-временные параметры процесса выжига связки потребуют корректировки при изменении давления прессования, конфигурации и объема изделий: при усложнении конфигурации, возрастании объема и давления прессования время изотермической выдержки при температуре 200°С и 350°С следует увеличивать.

Спекание образцов проводили на воздухе в электропечи с хромитлантановыми нагревателями (тип ВТП 06 М 10000). Для этого образцы на огнеупорной подставке переносили в печь, их экранировали от нагревателей корундовыми пластинками во избежание конденсации паров хромитлантана на спекаемых образцах. Режим термообработки (обжига) показан на рис. 3.2.6. Скорость нагрева до максимальной температуры (температура спекания - 1500°С) составляла 300°С/час. Время изотермической выдержки при температуре спекания – 1 час, после ее завершения печь отключали, охлаждение образцов вместе с печью до комнатной температуры происходило в течение суток (24 часа).

Рис. 3.2.5.. Режим выжига органической связки (ПВС) из прессовок.

T – температура, τ – время,  – выключение сушильного шкафа.

Рис. 3.2.6.. Режим спекания алюмооксидного материала.

T – температура, τ – время,  – выключение печи.

Вид полученных образцов из Al-Si порошков

Рис. 3.2.7.. Садка образцов на огнеупорных подставках из ZrO2 для спекания.

1–3 – образцы изготовлены из осадка – продукта химического диспергирования сплава Al-Si (12%масс.): 1 – показатель pH осадка — 12,9 (исходный неотмытый осадок);  2 - показатель – pH осадка — 11,8 (после 6-и кратной декантации);  3 - показатель – pH осадка — 10,3 (после 18–и кратной декантации).

3.3. Изучение свойств керамических образцов (плотность, пористость, усадка).

В данной работе изучали свойства спеченных керамических образцов: плотность, пористость (общую, открытую и закрытую), относительную линейную и объемную усадку.

3.3.1. Свойства керамических образцов, изготовленных из продукта химического диспергирования алюминиевого сплава Al-Si (12%масс.).

Минимальные значения плотности и усадки, при максимальной пористости (открытой, закрытой, общей) характерны материалу типа 1 (табл.3.3.1.1).

По-видимому, это связано с синтезом алюминатов натрия (вследствие избытка ионов Na+ в исходном осадке), образование которых происходит с увеличением объема. В результате может наблюдаться разрыхление структуры спекаемых образцов.

Для материалов типа 2 и 3 (из отмытых осадков) имеет место значительное повышение плотности и усадки, по сравнению с материалом типа 1. Для них характерна значительная доля закрытой пористости, образование которой связано с зональным  уплотнением высокодисперсной порошковой системы при жидкофазном механизме спекания (в качестве жидкой фазы выступает расплав нефелина).

Примечательно, что увеличение степени отмывки осадка (материал типа 3, по сравнению с материалом типа 2) приводит к повышению плотности при некотором снижении пористости (открытой, закрытой и общей) и относительной усадки.

Можно предположить, что в этом случае происходит уменьшение толщины прослойки нефелина между зернами α-Al2O3 и образование межзеренных контактов - 4 (рис.3.4.1.1.). Тогда реализуется наиболее плотная укладка зерен α-Al2O3 и снижение пути зернограничного проскальзывания при появлении жидкой фазы в спекаемом материале.

Свойства керамических образцов, изготовленных из продуктов химического диспергирования сплава Al-Si (12%масс.)

Таблица 3.3.1.1.

Тип материала образцов*

Плотность
ρ, г/см3

Открытая пористость
Потк., %

Закрытая пористость
Пз., %

Общая пористость
Поб., %

Относительная линейная усадка, %

Относительная объемная усадка, %

1

1,67

22,9

35,1

58,0

2,2

6,2

2

2,76

1,8

29,2

31,0

18,6

45,0

3

2,92

0,7

26,3

27,0

16,4

40,0

* — тип 1 – материал получен из исходного осадка при максимальном значении pH = 12,9; тип 2 – материал получен из осадка при среднем значении pH = 11,8; тип 3 – материал получен из осадка при минимальном значении pH = 10,3

3.4. Изучение механических свойств керамических образцов (прочность, трещиностойкость, ударный изгиб).

Механические свойства керамических образцов изучали путем испытания призматических образцов (8х8х50 мм). Испытания проводили на машине Tiratest 2300 (рис. 3.4.1., 3.4.2) и на маятниковом копре (рис. 3.4.3.).

За показатель свойства принимали среднее арифметическое значение результатов испытаний 6 – и образцов.

Для изучения трещиностойкости по параметру К (критический коэффициент интенсивности напряжений) в испытуемом образце создавали надрез при помощи алмазного круга толщиной 100 мкм (радиус кривизны вершины надреза составлял 50 мкм) на половину высоты образца.

Предел прочности при изгибе и трещиностойкость определяли путем приложения к середине образца сосредоточенной нагрузки (3-х точечный изгиб) при скорости перемещения траверсы нагружающего устройства – 1 мм/мин.

Прочность при ударном изгибе характеризуется работой, совершаемой ножом маятникового копра, для разрушения призматического образца.

Рис. 3.4.1. Испытание призматического образца на изгиб сосредоточенной нагрузкой на машине Tiratest 2300.

Рис. 3.4.2. Испытание призматического образца с надрезом на изгиб сосредоточенной нагрузкой на машине Tiratest 2300.

Рис. 3.4.3.   Испытание призматического образца на ударный изгиб с использованием маятникового копра.

3.4.1. Механические свойства керамических образцов, изготовленных из продукта химического диспергирования алюминиевого сплава Al-Si (12%масс.).

Из полученных результатов (табл.3.4.1.1.) видно, что материал типа 1 имеет крайне низкие показатели механических свойств, что связано, вероятно, как обсуждалось ранее (см. раздел 3.3), с разрыхлением его структуры вследствие синтеза значительного количества алюминатов натрия.

Следует отметить, что образцы из материала типа 1 легко разрушались руками.

Для материалов типа 2 и 3 характерен достаточно высокий уровень прочности (95 МПа и 125 МПа) с учетом их значительной общей пористости - 27-31% (для сравнения: σизг высокоплотной алюмооксидной керамики промышленного производства составляет 200-300 МПа).

В тоже время, для них отмечается большое значение параметра трещиностойкости – К (2,0 МПа · м1/2 и 3,0 МПа · м1/2). Эти показатели сопоставимы с трещиностойкостью высокоплотной, мелкокристаллической алюмооксидной керамики, спеченной из порошков промышленного производства.

Достаточно высокие значения σизг и К материалов типа 2 и 3 можно объяснить частичной релаксацией напряжений на нефелиновых прослойках (рис. 19 а, б)  между зернами α-Al2O3 в процессе нагружения.

Видно также, что увеличение степени отмывки исходного осадка приводит к повышению показателей механических свойств (материал типа 3 превосходит материал типа 2).

Это, вероятно, достигается за счет некоторого уменьшения количества нефелиновой фазы, которая располагается в областях тройных стыков зерен  α-Al2O3, образуя дискретные прослойки между ними (рис. 3.4.1.1.). При этом между зернами α-Al2O3 формируются контакты (4), через которые реализуется прочное диффузионное сращивание в процессе спекания.

Механические свойства керамических образцов, изготовленных из продукта химического диспергирования сплава Al-Si (12%масс.)

Таблица 3.4.1.1.

Тип материала образцов*

Предел прочности при изгибе, σизг., МПа

Трещиностойкость,
KIc, МПа · м½

Ударный изгиб, aн, Дж/м2

1

5

0,2

1·103

2

95

2,0

1,6·103

3

125

3,0

2,5·103

* — тип 1 – материал получен из исходного осадка при максимальном значении pH = 12,9; тип 2 – материал получен из осадка при среднем значении pH = 11,8; тип 3 – материал получен из осадка при минимальном значении pH = 10,3

Рис. 3.4.1.1.. Схематическое представление структуры спеченного материала, изготовленного из продукта химического диспергирования алюминиевого сплава Al-Si (12%масс.)

А – структура материала типа 2; Б – структура материала типа 3. 1 – зерна α-Al2O3; 2 – прослойки нефелина между зернами α-Al2O3(А – непрерывные, Б – дискретные); 3 – внутризеренные закрытые поры; 4 – межзеренные контакты.


РАЗДЕЛ 4. БЕЗОПАСНОСТЬ И ЭКОЛОГИЧНОСТЬ ПРОЕКТА.

4.1 Введение

Современное производство является исключительно высокоэлектровооруженным. Практически во всех видах оборудования и технических системах применяются электротехнические машины и устройства. Собственно электроустановки, источники электричества, преобразователи и проводящие системы (электросети, освещение) имеются во всех производственных, а также бытовых и иных системах.

Поэтому обеспечение безопасных условий труда при использовании электрического тока, статического электричества, а значит, электротехнического оборудования и инструмента имеет исключительно большое значение.

4.2 Воздействие на человека электрического тока

Действие электрического тока на живую ткань носит разносторонний и своеобразный характер. Проходя через тело человека, электроток производит термическое, электролитическое, механическое и биологическое действие. Термическое действие тока проявляется ожогами отдельных участков тела, нагревом для высокой температуры органов, расположенных на пути тока, вызывая в них значительные функциональные расстройства.

Электролитическое действие тока выражается в разложении различных жидкостей организма (крови, лимфы и др.) на ионы и нарушении их физико-химического состава и свойств.

Механическое действие тока приводит к расслоению, разрыву тканей организма в результате электродинамического эффекта, а также мгновенного взрывоподобного образования пара из тканевой жидкости и крови.

Биологическое действие тока проявляется раздражением и возбуждением живых тканей организма, судорожным сокращении мышц, а также нарушением внутренних биологических процессов.

Электротравмы условно делятся на местные и общие. К общим относят электрический удар, при котором происходит возбуждение живых тканей проходящим через человека электрическим током, сопровождающееся судорожными сокращениями мышц. В зависимости от исхода воздействия тока различают четыре степени электрических ударов:

  •  судорожное сокращение мышц без потери сознания;
  •  судорожное сокращение мышц с потерей сознания, но с сохранившимися дыханием и работой сердца;
  •  потеря сознания и нарушение сердечной деятельности или дыхания (или того и другого вместе);
  •  клиническая смерть, т.е. отсутствие дыхания и кровообращения.

Кроме остановки сердца и прекращения дыхания, причиной смерти может быть электрический шок - тяжелая нервно-рефлекторная реакция организма на сильное раздражение электрическим током. Шоковое состояние длится от нескольких десятков минут до суток, после чего может наступить гибель или выздоровление в результате интенсивных лечебных мероприятий.

Остановка сердца связана с фибрилляцией: хаотическим сокращением отдельных волокон сердечной мышцы (фибрилл). К местным травмам относят ожоги, металлизацию кожи, механические повреждения, электрические знаки, электроофтальмию. Металлизация кожи связана с проникновением в нее мельчайших частиц металла при его расплавлении под влиянием, чаще всего, электрической дуга. Электрические знаки возникают на коже. Это уплотненные участки серого или бледно-желтого цвета, они безболезненны и быстро проходят. Электроофтальмия - воспаление наружных слизистых оболочек глаз вследствие мощного ультрафиолетового излучения электрической дуги. Возможно повреждение роговой оболочки, что особенно опасно.

Исход поражения человека электротоком зависит от многих факторов: силы тока, времени прохождения его через организм, характеристики тока (переменный или постоянный), схема включения: однофазная или двухфазная, электрическое сопротивление тела человека, пути тока в теле человека, при переменном токе от частоты колебаний, от наличия в помещении токопроводящих пола и пыли, повышенной влажности и температуры и др.

Сила тока, проходящего через тело человека, зависит от напряжения прикосновения, под которым оказался пострадавший, и суммарного электрического сопротивления, в которое входит сопротивление тела человека. Величина последнего определяется, в основном, сопротивлением рогового слоя кожи и составляет (при сухой коже и отсутствии повреждений), сотни тысяч Ом. Если эти условия состояния кожи не выполняются, то ее сопротивление падает до 1 кОм. При высоком напряжении и значительном времени протекания тока через тело сопротивление кожи падает еще быстрее и способствует более тяжелым последствиям поражения током. Внутреннее сопротивление тела человека не превышает нескольких сот Ом и существенной роли не играет.

На сопротивление организма воздействию электрического тока оказывает влияние физическое и психическое состояние человека. Нездоровье, утомление, голод, опьянение, эмоциональное возбуждение приводят к снижению сопротивления.

Характер воздействия тока на человека зависит от силы и рода тока. Для переменного тока частотой 50 Гц, напряжением 220 В и пути тока «рука - нога» сила тока 0,6-1,5 мА является ощутимой, появляется легкое дрожание пальцев. При силе тока 2,0-2,5 мА возникают болевые ощущения, а при 5,0-7,0 мА судороги в руках. 20,0-25,0 мА - это неотпускающий ток, человек не может самостоятельно оторвать руки от электродов, наблюдаются сильные боли и судороги, затрудненное дыхание, а при 50,0-80,0 мА происходит паралич дыхания; при 90,0-100,0 мА наступает фибрилляция сердца при действии тока в течение 2-3 с и паралич дыхания.

Допустимым следует считать ток, при котором человек может самостоятельно освободиться от электрической цепи. Его величина зависит от скорости прохождения тока через тело человека: при длительности действия более 10 с 2 мА, а при 10 с и менее 6 мА.

Переменный ток более опасен, чем постоянный, однако при высоком напряжении (более 500 В) опаснее становится постоянный ток. Из всех возможных путей протекания тока через тело человека (голова - рука, голова - нога, рука - рука, нога - рука, нога - нога и т.д.) наиболее опасен тот, при котором поражается головной мозг, сердце и легкие. Неблагоприятный микроклимат (повышенная температура и влажность, недостаточная подвижность воздуха) увеличивает опасность поражения током, так как влага (пот) понижает сопротивление кожных покровов.

ГОСТ 12.1.038-82* устанавливает предельно допустимые напряжения прикосновения и токи, протекающие через тело человека (рука - рука, рука - нога) при нормальном (неаварийном) режиме работы электроустановок производственного и бытового назначения постоянного и переменного тока частотой 50 и 400 Гц. Для переменного тока 50 Гц допустимое значение напряжения прикосновения составляет 2 В, а силы тока 0,3 мА, для тока частотой 400 Гц соответственно 2 В и 0,4 мА; для постоянного тока 8 В и 1,0 мА (эти данные приведены для продолжительности воздействия не более 10 мин в сутки).

4.3 Электробезопасность производственных систем

Под электробезопасностью следует понимать комплекс организационных, технических, медицинских и правовых (нормативных) мероприятий.

В их числе:

  •  вытекающие из современного представления об электрическом токе,  статическом электричестве и электрической дуге;
  •  основанные на анализе механизма воздействия электрического тока на человека, электротравматизма и аварий электрооборудования;
  •  направленные на повышение надежности конкретных единиц электрооборудования, электроинструмента и электрических сетей;
  •  исключающие возможности несчастного случая в результате поражения электротоком или статическим электричеством.

Эксплуатация действующих электроустановок на предприятиях производится согласно Правилам эксплуатации электроустановок потребителей (ПЭЭП), Межотраслевыми Правилам охраны труда (ПОТ-М) при эксплуатации электроустановок, соответствующих ГОСТов ССБТ (ГОСТ 12.3.003-86*, ГОСТ 12.3.019-80*, 12.3.032-84*), инструкциям по технике безопасности, должностным и производственным инструкциям для персонала, обслуживающего электротехническое оборудование и установки.

Основными мерами обеспечения электробезопасности являются:

  •  недоступность токоведующих частей;
  •  ограждения доступных токоведующих частей;
  •  электрическое разделение сети с помощью разделительных трансформаторов;
  •  применение усиленной и двойной (рабочей и дополнительной) изоляции в сетях и потребителях тока;
  •  защитное заземление;
  •  зануление;
  •  устройство защитного отключения;
  •  выравнивание потенциалов;
  •  устройство блокировок;
  •  применение малого напряжения 42—12В;
  •  применение специальных электрозащитных средств, включая средства индивидуальной защиты, инструментов с изолированными рукоятками и др.;
  •  регулярное проведение проверок и испытаний, технических осмотров и ремонтов персонала;
  •  установка знаков безопасности, предупредительных плакатов и надписей.
  •  Согласно «Правилам устройства электроустановок» определены следующие определения и меры электробезопасности.
  •  Безопасность обслуживающего персонала и посторонних лиц должна обеспечиваться путем:
  •  применения надлежащей изоляции, а в отдельных случаях повышенной;
  •  применения двойной изоляции;
  •  соблюдения соответствующих расстояний до токоведущих частей или путем закрытия, ограждения токоведущих частей;
  •  применения блокировки аппаратов и ограждающих устройств для предотвращения ошибочных операций и доступа к токоведущим частям;
  •  надежного и быстродействующего автоматического отключения частей электрооборудования, случайно оказавшихся под напряжением, и поврежденных участков сети, в том числе защитного отключения;
  •  заземления или зануления корпусов электрооборудования и элементов электроустановок, которые могут оказаться под напряжением вследствие повреждения изоляции;
  •  выравнивания потенциалов;
  •  применения разделительных трансформаторов;
  •  применения напряжений 42 В и ниже переменного тока частотой 50 Гц и 110 В и ниже постоянного тока;
  •  применения предупреждающей сигнализации, надписей и плакатов;
  •  применения устройств, снижающих напряженность электрических полей;
  •  использования средств защиты и приспособлений, в том числе для защиты от воздействия электрического поля в электроустановках, в которых его напряженность превышает допустимые нормы.

Электроустановка - это совокупность машин, аппаратов, линий и вспомогательного оборудования (вместе с сооружениями и помещениями, в которых они установлены), предназначенных для производства, преобразования, трансформации, передачи, распределения электрической энергии и преобразования ее в другой вид энергии.

Электроустановки по условиям электробезопасности разделяются Правилами на электроустановки до 1 кВ и электроустановки выше 1 кВ (по действующему значению напряжения).

Открытыми или наружными электроустановками называются электроустановки, не защищенные зданием от атмосферных воздействий.

Электроустановки, защищенные только навесами, сетчатыми ограждениями и т.п., рассматриваются как наружные.

Закрытыми и внутренними электроустановками называются электроустановки, размещенные внутри здания, защищающего их от атмосферных воздействий.

4.4 Защитное заземление

Назначение защитного заземления - предупреждение поражения электрическим током в случае прикосновения к токопроводящим нетоковедущим частям установок и машин при замыкании на них токоведущих частей или другой аварийной ситуации. Электробезопасность обеспечивается использованием природного явления оттекания электротока в землю, что достигается приложением системы заземляющего устройства, состоящего из заземлителей и заземляющих проводников. Заземлители могут быть естественными и искусственными. В качестве естественных заземлителей принимаются любые, имеющие металлическую (токопроводящую) достаточную поверхность постоянного соединения с землей, при этом использование данного элемента не должно вызывать нарушения его обычных функций и работы. К ним относятся различные металлические трубопроводы (но не содержащие взрыво- и пожароопасных газов и жидкостей), строительные конструкции зданий и сооружений, в первую очередь железобетонные фундаменты, емкости, в некоторых случаях даже металлические оболочки кабелей и т.д.

Искусственные заземлители подготавливаются специально и закладываются в землю исключительно с целью обеспечения заземления. Это могут быть стальные трубы, пластины, уголки, стержни и т.д. Заземлитель устанавливается так, чтобы 100-200 мм его выступало над поверхностью земли, эта часть соединяется заземляющим проводником с оборудованием.

Защитное заземление применяют в сетях напряжением до 1 ООО В с изолированной нейтралью и в сетях напряжением свыше 1000 В как с изолированной, так и с заземленной нейтралью.

Рекомендуемые значения сопротивления заземлителя (R3) защитного заземления до и выше 1 кВ, установленные ПУЭ

Таблица 4.4.1.

Значения R3, Ом

Характеристика электроустановок

R3 ≤0,5 Ом

Электроустановки U > 1 кВ в сетях с эффективно заземленной нейтралью

R3 ≤ 250 /I3, но не более 10 Ом

Электроустановки U > 1 кВ в сетях с изолированной нейтралью

R3 ≤ Uпр/I3. Как правило, 4 Ом ≤ R3≤10 Ом

Электроустановки U < 1 кВ в сетях с изолированной нейтралью (мощность генератора или трансформатора < 100 кВ  А)

Примечание: R3 - сопротивление заземляющего устройства;

I3 - ток замыкания на землю;

Uпр - напряжение прикосновения, принимается равным 50 В.

На рисунке 4.4.1 показана схема защитного заземления в однофазной двухпроводной сети, схема однофазного замыкания на заземленный корпус двигателя в сети с изолированной нейтралью трансформатора дана на рис. 4.4.1 .Заземлитель является основным элементом всего заземляющего устройства, качество которого определяется значением сопротивления заземления и изменением напряжения относительно земли. Сопротивление заземления заземлителя есть сопротивление между заземлителем у места соприкосновения с фунтом и собственно землей, под которой надо понимать поверхность грунта вблизи заземлителя, потенциал которой равен нулю. Полным напряжением относительно земли понимают напряжения, возникающие в цепи тока размыкания на землю между заземлителем и землей (зона нулевого потенциала).

Рис. 4.4.2. Схема однофазного замыкания на заземленный корпус в сети с изолированнойнейтралью трансформатора

При токе замыкания I3 и сопротивлении заземления R3(см. рис. 4.4.1.) напряжение на корпусе относительно земли равно

Um = I3•R3.         (4.4.1)

Так как сопротивление заземления небольшое, то величина напряжения будет намного меньше, чем при отсутствии заземления. Ток замыкания в случае исправности изоляции фаз А и В (см. рис. 4.4.2.) будет небольшим, и напряжение прикосновения не превысит допустимых пределов:

Uпр=αIзRз         (4.4.2)

где а < 1 - коэффициент напряжения прикосновения, показывающий, какая часть потенциала заземлителя приходится на тело человека.

В случае повреждения изоляции токоведущая часть электрически соединяется с неза- земленным токопроводящим элементом оборудования. При прикосновении человека к такому элементу он оказывается под напряжением прикосновения, величина которого равна фазному или близка к нему. Сущность защиты с помощью устройства защитного заземления заключается в создании такого сопротивления, которое было бы достаточно малым для того, чтобы падение напряжения на заземлении (а оно и является поражающим) не достигало значения, опасного для человека. В поврежденной цепи необходимо обеспечить такое значение тока, которое было бы достаточным для надежного срабатывания защитных устройств, установленных на источнике питания. Применяются два основных типа заземления: выносное (рис. 4.4.3) и контурное (рис. 4.4.4).

Рис. 4.4.3. Схема выносного заземления   Рис.4.4.4. Схема контурного                            заземления

Выносное заземление характеризуется размещением заземлителей за пределами площадки, на которой размещено заземляемое оборудование, что позволяет выбрать место- размещение электродов, в том числе с наименьшим сопротивлением (влажные, глинистые почвы, низины и т.д.).

Однако отдаленность заземлителей от оборудования может привести к тому, что на всей площадке коэффициент прикосновения будет равен единице, т.е. возможно возникновение опасного напряжения прикосновения и напряжение шага. Выносное заземление применяют при малых значениях тока замыкания на земле, например в установках с напряжением до 1000 В.

При размещении заземлителей по контуру площадки внутри нее заземление называется контурным. В этом случае напряжения прикосновения и напряжения шага имеют в пределах площадки небольшие величины по сравнению с потенциалом заземления и не представляют реальной опасности.

Для снижения напряжения шага за пределами контура заземления в землю закладываются горизонтальные электроды, как правило в виде стальных полос, соединенных с вертикальными электродами. Этим достигается более равномерное распределение потенциалов, что особенно важно при использовании электроустановок с большими токами замыкания на землю. Сопротивление заземляющего устройства включает эквивалентное сопротивление вертикальных и горизонтальных электродов относительно земли и сопротивления заземляющих проводников, а также сопротивление грунта.

Расчет защитного заземления проводится из условия допустимых напряжения прикосновения и напряжения шага в аварийных режимах электроустановок. Определяются основные параметры заземляющего устройства: размеры, число и схема размещения заземлителей, сечение и длина заземляющих проводников. Исходными данным для этих расчетов являются:

  •  тип электроустановки;
  •  рабочее напряжение;
  •  режим нейтрали;
  •  схема размещения электрооборудования;
  •  электропроводность грунта;
  •  климат (в первую очередь влажность, осадки и температуры);
  •  материал и его свойства;
  •  размеры естественных и искусственных заземлителей и выбранная глубина их закладки;
  •  расчетный ток замыкания на землю.

В качестве расчетного тока принимается:

в сетях без компенсации емкостных токов - полный ток замыкания на землю;

в сетях с компенсацией емкостных токов:

а) ток, равный 1,25 номинального тока компенсирующих аппаратов, подсоединенных к заземляющим устройствам;

б) остаточный ток замыкания на землю, проходящий в данной сети при отключении наиболее мощного из компенсирующих аппаратов или наиболее разветвленного участка сети.

Кроме того, в качестве расчетного тока может быть принят ток плавного предохранителя или ток срабатывания релейной защиты от однофазных замыканий и междуфазных замыканий, если защита обеспечивает отключение замыканий на землю. При этом ток замыкания на землю должен быть равен 1,5-кратной величине тока срабатывания релейной защиты или 3-кратной величине номинального тока плавного предохранителя.

Если применяется заземление для установки, имеющей естественные заземлители, то сопротивление искусственного заземлителя Ru равно

где Re - сопротивление естественных заземлителей; R3 - сопротивление заземляющего устройства.

4.5. Расчёт параметров защитного заземления лабораторной установки

 Защитное заземление - преднамеренное электрическое соединение с землей или ее эквивалентом металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением вследствие замыкания на корпус и по другим причинам (индуктивное влияние соседних токоведущих частей, вынос потенциала, разряд молнии и т. п.). Защитное заземление представляет собой преднамеренное электрическое соединение с землей или ее эквивалентом токопроводящих нетоковедущих частей, которые могут оказаться пол напряжением. Назначение защитного заземления -  устранение опасности поражения током в случае прикосновения к корпусу электроустановки и другим нетоковедущим металлическим частям, оказавшимся под напряжением вследствие замыкания на корпус и по другим причинам.

Электробезoпасность oбеспечивается испoльзованием прирoдного явления отeкания электрoтока в землю, что дoстигается полoжением системы зазeмляющего устрoйства, состoящего из заземлителей и зaземляющих провoдников (рис. 4.5.1.).

Зaщитное зaземление элeктроустановок дoлжно выпoлняться во всeх случaях при нaпряжении 500 В и вышe, при нaпряжении вышe 36 В перeменного и 110 В пoстоянного в пoмещениях с пoвышенной опaсностью.

Зaземление дoлжно имeть мaлое сoпротивление, нe превышaющее дoпустимых вeличин. Нoрмативы на сoпротивление зaземления опредeляются ПУЭ в зaвисимости от нaпряжения и мoщности электрoустановки.

В элeктроустановках нaпряжением до 1000 В сoпротивление зазeмления (RЗ) дoлжно быть не мeнее 4 Ом. Eсли суммaрная мoщность истoчников, подключeнных к сети, не прeвышает 100 КВт, тo дoпускается увeличение RЗ до 10 Ом.

Рис.4.5.1. Схема защитного заземления.

В случае пoвреждения изoляции токoведущая чaсть элeктрически сoединяется с незaземленным токoпроводящим элементoм оборудoвания. При прикoсновении челoвека к такoму элементу он oказывается под нaпряжением прикoсновения, величинa которoго рaвна фазнoму или близкa к нему.

Принцип действия защитного заземления - снижение до безопасных значений напряжений прикосновения и шага, обусловленных замыканием на корпус и другими причинами. Это достигается путем уменьшения потенциала заземленного оборудования (уменьшением сопротивления заземлителя), а также путем выравнивания потенциалов основания, на котором стоит человек, и заземленного оборудования (подъемом потенциала основания, на котором стоит человек, до значения, близкого к значению потенциала заземленного оборудования).

4.6. Расчёт

1.Определим ток замыкания на землю:

,                                       (4.6.1.)

где Iз – ток замыкания на землю;

U – напряжение сети;

Z – полное сопротивление фаз относительно земли.

Определим ток замыкания на землю в сети с напряжением 380В - наибольшей возможной в данной электроустановке ток замыкания на землю. В сетях напряжения до 1000В ток однофазного замыкания на землю не превышает 10А, так как даже при самом плохом состоянии изоляции и значительной ёмкости сопротивление фазы относительно земли не бывает менее 100Ом (Z>100Oм). Отсюда ток замыкания на землю:

А

2. Сопротивление замыкания рассчитывается по формуле:

                                       (4.6.2.)

где Rз - сопротивление заземления;

Uпр.д.д - длительное допустимое напряжение прикосновения (20 Ом);

α1 -коэффициент напряжения прикосновения при контурном заземлении.

Принимая  =0,5; получаем:

3. Определим расчётное удельное сопротивление грунта по формуле:

                                (4.6.3.)

где  - удельное сопротивление грунта, полученное из справочника;

- климатический коэффициент;

- расчётное удельное сопротивление грунта с учётом климатического коэффициента.

При сухом грунте, типа суглинок, при влажности 10 - 12% к массе грунта  =1,4;  =100 Ом.

Приближенные значения удельных электрических сопротивлений различных грунтов и воды, Ом м     Таблица 4.5.1.

Грунт,  вода

Возможные пределы колебаний

При влажности 10 – 20% к массе  грунта

1

2

3

Глина

8 – 70

40

Суглинок

40 – 150

100

Песок

400 – 700

700

Супесок

150 – 400

300

Торф

10 – 30

20

Чернозем

9 – 53

20

Садовая земля

30 – 60

40

Каменистый

500 – 800

-

Скалистый

104 – 107

-

Вода:

Морская

0,2 – 1

-

Речная

10 – 100

-

Прудовая

40 – 50

-

Грунтовая

20 – 70

-

В ручьях

10 – 60

-

Таблица 4.5.2.

Коэффициенты сезонности ψ для однородной земли

Климатическая зона по

таблице 4

Состояние земли во время измерений ее сопротивления при влажности

Повышенной

Нормальной

Малой

1

2

3

4

Вертикальный электрод длиной 3 м

I

1,9

1,7

1,5

II

1,7

1,5

1,3

III

1,5

1,3

1,2

IV

1,3

1,1

1,0

Продолжение таблицы таблицы 4.5.2.

1

2

3

4

Вертикальный электрод длиной 5 м

I

1,5

1,4

1,3

Климатическая зона по

таблице 4

Состояние земли во время измерений ее сопротивления при влажности

Повышенной

Нормальной

Малой

II

1,4

1,3

1,2

III

1,3

1,2

1,1

IV

1,2

1,1

1,0

Горизонтальный электрод длиной 10 м

I

9,3

5,5

4,1

II

5,9

3,5

2,6

III

4,2

2,5

2,0

IV

2,5

1,5

1,1

Горизонтальный электрод длиной 50 м

I

7,2

4,5

3,6

II

4,8

3,0

2,4

III

3,2

2,0

1,6

IV

2,2

1,4

1,12

Определим расчётное удельное сопротивление грунта:

Ом×м

4. Примем сопротивление естественных заземлителей равным:

Re= 12 Ом.

5. Рассчитаем сопротивление искусственного заземления, считая, что искусственные и естественные заземления соединены параллельно, и общее их сопротивление не должно превышать норму Rз, по формуле:

                                (4.6.4.)

где Ru- сопротивление искусственного заземлителя;

Сопротивление искусственного заземлителя будет равняться:

Ом

6. Выберем заземлитель типа трубчатый или стержневой у поверхности грунта.

Длина заземлителя L=2,0м, а диаметр d=0,1м. Тогда сопротивление одиночного стержневого заземлителя у поверхности грунта будет вычисляться по формуле:

                               (4.6.5.)

где Rcт.од.- сопротивление одиночного заземлителя:

Ом

Примем длину соединительной шины Lш=8х4=32(м); расстояние между стержнями 2м;  необходимое число стержней определяется как:

n= 32/2=16.

Найдём коэффициент использования заземлителя. Он будет равен:

Примем: =0,63.

Определим сопротивление соединительной шины на поверхности грунта по формуле:

                               (4.6.6.)

где Rш -сопротивление соединительной шины.

Сопротивление соединительной шины на поверхности грунта:

Ом

Сопротивление шины с учётом коэффициента использования определяется по формуле:

                                   (4.6.7.)

Rшф – сопротивление с учетом коэффициента использования;

ηш - коэффициент использования.

Коэффициент использования заземлителя ( = 0,32), определим сопротивление соединительной шины с учётом коэффициента использования:

Ом

Определим сопротивление стержней (вертикальных заземлителей) с учётом шин по формуле:

                                   (4.6.8.)

где Rст -сопротивление стержней с учётом шин.

Сопротивление стержней:

Ом

Учитывая коэффициент использования вертикальных заземлителей, определим их число по формуле:

                                      (4.6.9.)

где n - число вертикальных заземлителей.

Число заземлителей:

шт.

Примем число стержней n = 20 шт.


Схема защитного контурного заземления представлена на рис. 4.6.1.

Рис. 4.6.1. Схема защитного контурного заземления высокотемпературной печи


5. ОРГАНИЗАЦИОННО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

РАЗРАБОТКА БИЗНЕС-ПЛАНА

5.1. Меморандум конфиденциальности

Данный бизнес - план находится в ограниченном доступе к ознакомлению.

Разработчики проекта:

Старший научный сотрудник, кандидат технических наук А.Ю. Омаров;

студент МГИУ С.С. Сафронов.

Консультанты дипломного проекта:

Организационно-экономическая часть  – доцент кафедры "Экономика и управление производством"  МГИУ Н.А. Поцелуева.

Безопасность и экологичность проекта – заведующий кафедрой "Безопасность жизнедеятельности и промышленная экология" МГИУ Е.А. Резчиков.

5.2. Резюме

В данной работе изложены результаты исследования влияния концентрации щелочи на структуру диспергированных порошков и свойства керамических материалов, спеченных из них. Полученные научные результаты явились основой для создания технологической схемы производства высококачественной керамики.

Методы получения различных конструкционных керамик достаточно хорошо отработаны и применяются на производстве. Для изготовления высококачественной керамики необходимо измельчать исходное сырье и получать мелкодисперсную структуру. Это является трудоемким и энергоемким процессом. Эта задача была разрешена путем перевода отходов этих сплавов в наноструктурированную гидроокись алюминия, что позволило получать керамику с высокими свойствами и тем самым решать задачу утилизации стружки с получением полезного продукта.

5.3. Задание на исследование.

Необходимо разработать технологию получения высококачественной конструкционной керамики из отходов (стружки) силумина.                                   

Перечень подлежащих разработке вопросов:

- решение проблемы утилизации отходов алюминиевых сплавов;

-выбор оборудования и методики исследования;

-изучение свойств порошков оксида алюминия, полученного путем химического диспергирования, и зависимость свойств от степени отмывки;

- описание и обоснование выбранной технологической схемы;

- подбор и описание методики изучения физико-механических свойств нового керамического материала;


5.4. План по организации научно-исследовательской работы

5.4.1. Используемое оборудование и приборы

При выполнении НИР используется оборудование и приборы, перечень которых приведён в таблице 5.4.1.1. 

Таблица 5.4.1.1.  .

Перечень оборудования и приборов

Оборудование,

приборы

Количество, ед.

Мощность, кВт

Вид энергии

Сменность рабо-ты

Действительный годовой фонд времени, час

Фонд времени на работу по НИР, час

Коэф-фициент загрузки оборудования

Наименование

Модель

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Электрон-ный сканирую-щий микро-скоп

Karl Zeiss EVO 50

1

18

Электричес-кая

1

1790

60

0,0335

Рентгенов-ский фазовый анализатор

ДРОН-3

1

5,5

Электрическая

1

1790

32

0,0178

Лазерный дифракто-метр

Fritsch Partical Sizer  analyset-te 22

1

3,5

Электричес-кая

1

1790

24

0,0134

Спектрометр

Spectro-meter DT 1200

1

2,5

Электричес-кая

1

1790

8

0,0045

Установка термо-механичес-кого удара

TIRATEST-2300

1

3,5

Электричес-кая

1

1790

8

0,0045

Продолжение таблицы 5.4.1.1.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Дифракто-метр

ARL X’TRA-145

1

3

Электрическая

1

1790

56

0,0313

Печь камерная

СНО-4.8.2,5/ 13-И2

1

50

Электрическая

1

1790

16

0,0089

Действительный годовой фонд работы оборудования определяется по формуле:

Fд = (365-Дв – Дп ) ۰ См ۰ Тс ۰ Кв , (1)

где  Дв и Дп – количество выходных и праздничных дней в году;

См  - число смен работы оборудования;

Тс – продолжительность одной смены, часы;

Кв – коэффициент использования номинального фонда времени работы оборудования, учитывающий потери времени на ремонт, разогрев и т.п. (равен 0,85 – 0,95);

Fд = (365–104–12) ۰ 1 ۰ 8 ۰ 0,9 = 1790 часов.

Фонд времени работы по НИР включает время фактической работы оборудования и приборов для выполнения экспериментальной части проекта.

Коэффициент загрузки оборудования, приборов определяется отношением фонда времени работы по НИР к годовому фонду времени.

5.4.2 Численность работников, занятых исследованием.

Сoстaв и числeннoсть paбoтникoв, их занятoсть пo тeмe нaучнoгo исслеeдoвaния пpeдстaвлeны в тaблицe 5.4.2.1. Грaфы 1 и 3 зaпoлнeны нa oснoвaнии штaтнoгo рaсписaния для инжeнepных paбoтникoв и млaдшегo oбслуживaющeгo пepсoнaлa унивepситeтa. Дaнныe грaфы 2 пoлучeны пo фaктичeским дaнным выпoлнeния нaучнo-исслeдoвaтeльскoй рaбoты. Дaнныe в грaфe 4 oпрeдeлeны пo плaнoвым дaнным выпoлнeния НИР. Дaнныe грaфы 5 oпрeдeляются кaк oтнoшeниe   грaфы   4   к   oбщeй   зaплaнирoвaннoй   прoдoлжитeльнoсти   нaучнo-исслeдoвaтeльскoй рaбoты. Пpодoлжительность НИР состaвляет 85 дней. Дaнные в графe 6 пoлучены произвeдением грaфы 3 и 5 продoлжительности рабoты пo НИР.

Таблица 5.4.2.1.

Численность работников по НИР

Должность исполнителя

Численность, чел.

Месячный должностн. оклад (тарифн. ставка), руб.

Фонд времени по НИР, дни

Коэффициент занятости по НИР

Фонд зарплаты, руб.

1

2

3

4

5

6

Технолог (студент - исполнитель)

1

4 500

85

1,0

19125

Руководитель дипломного проекта

(к.т.н., старший научный сотрудник)

1

15 000

27

0,32

20250

Лаборант

1

8000

22

0,26

8000

Итого

-

-

-

-

39375

5.5. Планирование научно-исследовательской работы

5.5.1. Сетевое планирование и управление НИР

При планировании НИР весьма целесообразно использовать систему сетевого планирования и управлении (СПУ). Система сетевого планирования по своей природе является целевой системой планирования, т.е. планированием процесса относительно некоторой заданной цели. Выполнение НИР предполагает увязку между собой работ, необходимых для того, чтобы получить некоторый единственный конечный результат (достижение заданной цели).

Основой СПУ является сетевой график, который изображает логическую последовательность, взаимосвязь и продолжительность планируемых работ. Сетевой график позволяет оценивать значимость каждой работы, и устанавливать какие работы  необходимо выполнить в первую очередь, какие работы можно выполнять параллельно. Сетевой график используется для текущего руководства работниками и позволяет сравнительно легко корректировать план разработки в случае срыва сроков выполнения отдельных работ.

Сетевой график представляет собой информационно-динамическую модель, в которой изображаются взаимосвязи и результаты всех работ, необходимых для достижения конечной цели разработки.

Сетевой график состоит из множества событий, обозначенных кружочками, и множества работ, изображенных стрелками. Он наглядно показывает логическую последовательность и взаимосвязь всех действий и процессов, которые должны быть осуществлены для достижения определенного результата. Каждая работа имеет название, характеризуется  продолжительностью и связана с расходом ресурсов.

Работой называется действие или выполнение трудового процесса, приводящее к достижению определенного результата.

Событие – это результат работы, факт её начала или завершения. Оно не является процессом и не имеет продолжительности во времени. Каждое событие имеет номер, который указывается в кружочке сетевого графика.

Событие, с которого начинается рассматриваемая работа, называется предшествующим событием, его номер обозначается символом ''i''. Событие, следующее непосредственно за данной работой называется последующим событием по отношению к данной работе, его номер обозначается символом ''j''. Событие начала планируемого процесса, у которого нет предшествующих событий, называется исходным, ему присваивается первый номер и оно обозначается символом ''I''. Событие, которое не имеет последующих событий и заканчивает процесс, называется завершающим, ему присваивается последний номер и оно обозначается символом ''С''.

Работа кодируется номерами событий, между которыми она заключена, т.е. парой чисел. В общем виде код работы обозначается двумя буквами  i,j, где i-номер предшествующего события, j- номер последующего события.

Продолжительность работы обозначается как tij. На сетевом графике она выражается числом под стрелкой, которое указывает ожидаемое время выполнения работы в принятых единицах измерения (днях).

Кроме работ действительных, т.е. требующих затрат времени, существуют фиктивные работы. Фиктивной работой называется связь между какими-то результатами работ (событиями), не требующая затрат времени.

Любая последовательность работ в сетевом графике, в которой конечное событие одной работы совпадает с начальным событием следующей за ней работы, называется путем.

Путь от исходного до завершающего события называется полным путем. Полный путь, имеющий максимальную продолжительность, называется критическим путем.

5.5.2. Построение сетевого графика

Список всех работ и событий, необходимых для проведения работы по НИР, представлен в табл. 5.5.2.1. Исходя из данного списка работ, событий и логики связей между ними строится сетевой график (рис. 5.1).

Таблица 5.5.2.1.

Перечень работ и событий

Работа

Событие

Код

Содержание

Трудоемкость, чел/дн.

Число исполнителей, чел.

Продолжительность, дн.

Код

Формулировка

1

2

3

4

5

6

7

1

Задание на исследование влияния имплантации на коррозионную стойкость деталей получено

1-2

Ознакомление и проработка задания

2

1

2

2

Задание проработано

2-3

Подбор литературы

9

3

3

3

Литература подобрана

3-4

Написание литературного обзора

6

1

6

4

Литературный обзор написан

4-5

Разработка методики исследования

4

2

2

5

Методика исследования разработана

5-6

Выбор формы и размеров опытных образцов

4

2

2

6

Форма и размеры образцов выбраны

6-7

Построение сетевого графика

1

1

1

7

Сетевой график построен

6-8

Перевод материала в удобную для растворения форму

2

2

1

8

Сплав переведён в стружку

7-21

Расчет параметров сетевого графика

2

1

2

9

Сплав растворён в щёлочи

8-9

Растворение материала

5

1

3

10

Осадок промыт и просушен

9-10

Промывка и просушка осадка

2

1

2

11

Образцы для СЭМ подготовлены

10-11

Подготовка опытных образцов для СЭМ

8

2

4

12

Образцы  РФА подготовлены

10-12

Подготовка образцов для РФА

1

1

1

13

Образцы для петрографического анализа подготовлены

10-13

Подготовка образцов для петрографи-ческого анализа

4

2

2

14

Образцы для исследования электро-акустическим методом и методом лазерной дифракции подготовлены

Продолжение таблицы 5.5.2.1.

1

2

3

4

5

6

7

10-14

Подготовка образцов для электро-акустического метода и лазерной дефракции

4

2

2

15

Образцы для исследования реологических свойств подготовлены

10-15

Подготовка образцов для исследования реологических свойств

6

2

3

16

Исследование СЭМ проведено

11-16

Проведение СЭМ

6

3

2

17

РФА проведен

12-17

Проведение РФА

3

1

3

18

Петрографический анализ проведен

13-18

Проведение петрографического анализа

3

3

1

19

Исследования методом электроакустики и методом лазерной дифракции проведены

14-19

Проведение исследования методом электроакустики и методом лазерной дифракции

3

3

1

20

Исследование реологических свойств проведено

15-20

Исследование реологических свойств

3

3

1

21

Параметры сетевого графика расчитаны

16-22

Обработка данных по СЭМ

3

3

1

22

Данные по СЭМ, РФА,петрографическому анализу, исследованиям электроакустическим методом, методом лазерной дифракции, реологических свойств обработаны

17-22

Обработка данных по РФА

4

2

2

18-22

Обработка данных по петрографическому анализу

3

3

1

19-22

Обработка данных исследования электроакустическим методом  и методом лазерной дифракции

3

3

1

Данные по СЭМ, РФА,

петрографическому анализу, исследованиям электроакустическим методом, методом лазерной дифракции, реологических свойств обработаны

20-22

Обработка данных  исследования реологических свойств

3

3

1

Продолжение таблицы 5.5.2.1.

1

2

3

4

5

6

7

21-23

Составление сметы затрат на НИР

2

1

2

23

Сметы затрат на НИР составлены

22-24

Сравнение полученных экспериментальных данных с литературой

1

1

1

24

Сравнение полученных экспериментальных данных с литературой проведено

23-24

Фиктивная работа

0

0

0

24-25

Спекание порошков и получение керамики

2

2

1

25

Керамика получена

25-26

Подготовка образцов для РЭМ

2

2

1

26

Образцы для РЭМ подготовлены

25-27

Подготовка образцов механических и физических свойств

2

2

1

27

Образцы для изучения механических и физических свойств подготовлены

26-28

Анализ данных по РЭМ

1

1

1

28

Данные по РЭМ, механических свойств и свойств термостойкости обработаны

27-28

Анализ данных после изучения механических свойств и термостойкости

1

1

1

28-29

Сравнение полученных свойств с доступными аналогами

3

3

1

30

Полученные экспериментальные данные сравнены с литературой

29-30

Проработка БЖД

2

1

2

31

БЖД проработано

30-31

Проведение маркетинговых исследований

7

1

7

32

Маркетинговые исследования проведены

31-32

Разработка технико-экономического обоснования

5

1

5

32

Технико-экономическое обоснование разработано

32-33

Написание пояснительной записки

12

1

12

33

Пояснительная записка написана

Итого:

134

85


  

5.5.3. Расчёт параметров сетевого графика

При расчёте сетевой модели графическим методом определяются следующие параметры:

– возможный ранний срок свершения события - tpi;

– допустимый поздний срок свершения события - tni;

– резерв времени события - Ri;

– резервы времени работы:

– полный - Rnij;

– свободный - Rcij;

– продолжительность критического пути – tкр.

Определение ранних сроков свершения событий

Ранний срок свершения события – это время, необходимое для выполнения всех работ, предшествующих данному событию.

Ранний срок свершения исходного события равен нулю (tpi = 0). Ранний срок свершения следующего события равен раннему сроку свершения события “i” плюс продолжительность работы i- j, т.е.: tpj= tpi + tij.

Ранний срок свершения любого события tpj определяется максимальной суммой раннего срока свершения события начального tpi работы  i- j плюс продолжительность этой работы tij т.е.: tpj= (tpi + tij) max.

Определение поздних сроков свершения событий

Поздний срок свершения события – это время, превышение которого вызывает аналогичную задержку наступления завершающего события сети. Поздний срок свершения завершающего события принимается равным его раннему сроку, т.е.  tnc= tpc .

Поздний срок свершения предыдущего события tni определяется как разность между поздним сроком свершения завершающего события tnc и продолжительностью работы tij т.е. tni= tnc – tij.

Поздний срок свершения любого события tnj определяется минимальной разностью между поздним сроком свершения последующего события tpj и продолжительностью работы tij т.е. tnj= (tpj - tij)min.

Определение резервов времени

Резерв времени события определяется как разность между его поздним и ранним сроками, т.е.  Ri= tni - tpi.

Этот резерв времени показывает предельный промежуток времени, на который может быть задержано свершение данного события без увеличения срока завершения разработки в целом.

Все рассмотренные характеристики события: ранний и поздний сроки свершения, резерв времени события, номер события указываются на сетевом графике в секторах кружка, изображающего событие. Параметры событий сети представлены в табл. 5.5.3.1.

5.5.3. Расчет параметров сетевого графика

Параметры событий  сети     Таблица 5.5.3.1.

№ события

Ранний срок свершения события tpi

Поздний срок свершения события tni

Резерв времени события Ri

1

2

3

4

1

0

0

0

2

2

2

0

3

5

5

0

4

11

11

0

5

13

13

0

6

15

15

0

7

16

25

9

8

16

16

0

9

19

19

0

10

21

21

0

11

25

25

0

12

22

23

1

13

23

26

3

14

23

26

3

15

24

26

2

16

27

27

0

17

25

26

1

18

24

27

3

Продолжение таблицы 5.5.3.1.

1

2

3

4

19

24

27

3

20

25

27

2

21

18

27

9

22

28

28

0

23

20

29

9

24

29

29

0

25

30

30

0

26

31

31

0

27

31

31

0

28

32

32

0

29

33

33

0

30

35

35

0

31

42

42

0

32

47

47

0

33

59

59

0

Определение критического пути

На этом этапе определяются работы и события, лежащие на критическом пути. Необходимым условием того, что работа находится на критическом пути, является нулевой резерв времени начального и конечного событий этой работы, т.е. Ri = tni - tpi = 0  

Кроме того, должно соблюдаться и второе условие: tj – tij – ti = 0 .

Lкр=1-2-3-4-5-6-8-9-10-11-16-22-24-25-26-28-29-30-31-32-33=59 дней

Определение резервов времени работ

Резерв времени определяется только у работ, не лежащих на критическом пути. Полный резерв времени Rnij  -это резерв, которым обладает работа при условии возможно раннего начала и допустимо раннего её окончания.

Полный резерв времени работы определяется по формуле:

Rnij = tnij – tpi – tij.

Свободный резерв времени Rcij – это резерв времени, работы, позволяющий увеличить продолжительность выполнения работы на величину свободного резерва, не вызвав изменений ранних и поздних сроков свершения начального и конечного событий остальных работ. Он определяется по формуле:

Rcij = {tpj – tpi – tij; 0} max ;

Rcij = {Rnij – Ri – Rj; 0} max.

При отрицательном значении приведенной разницы свободный резерв времени принимается равным нулю.

Параметры работ сети представлены в табл. 5.5.3.2.

Таблица 5.5.3.2.

Параметры работ сети

Работа код

Продол-житель-ность tij

Начало раннее tpj

Окон-чание раннее

tpi+tij

Оконча-ние позднее tnj

Начало позднее tpi-tij

Резерв времени полный tnj-tpi-tij

Резерв времени свобод-ный tnj--tpi-tij

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1

1-2

2

0

2

2

0

0

0

2

2-3

3

2

5

5

2

0

0

3

3-4

6

5

11

11

5

0

0

4

4-5

2

11

13

13

11

0

0

5

5-6

2

13

15

15

13

0

0

6

6-7

1

15

16

25

24

9

0

7

6-8

1

15

16

16

15

0

0

8

7-21

2

16

18

27

25

9

0

9

8-9

3

16

19

19

16

0

0

10

9-10

2

19

21

21

19

0

0

11

10-11

4

21

25

25

21

0

0

12

10-12

1

21

22

23

22

1

1

13

10-13

2

21

23

26

24

3

3

14

10-14

2

21

23

26

24

3

3

15

10-15

3

21

24

26

23

2

2

16

11-16

2

25

27

27

25

0

0

17

12-17

3

22

25

26

23

1

1

18

13-18

1

23

24

27

26

3

3

19

14-19

1

23

24

27

26

3

3

20

15-20

1

24

25

27

26

2

2

21

16-22

1

27

28

28

27

0

0

22

17-22

2

25

27

28

26

1

0

23

18-22

1

24

25

28

27

3

0

24

19-22

1

24

25

28

27

3

0

25

20-22

1

25

26

28

27

2

0

26

21-23

2

18

20

29

27

9

9

Продлжение таблицы 5.5.3.2.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

27

22-23

1

28

29

29

28

0

0

28

23-24

0

20

20

29

29

9

0

29

24-25

1

29

30

30

29

0

0

30

25-26

1

30

31

31

30

0

0

31

25-27

1

30

31

31

30

0

0

32

26-28

1

31

32

32

31

0

0

33

27-28

1

31

32

32

31

0

0

34

28-29

1

32

33

33

32

0

0

35

29-30

2

33

35

35

33

0

0

36

30-31

7

35

42

42

35

0

0

37

31-32

5

42

47

47

42

0

0

38

32-33

12

47

59

59

42

0

0

5.6. План по определению затрат на исследование

В плане по определению затрат на исследование выполняются расчёты по определению капитальных затрат и амортизационных отчислений, затрат на материалы, заработную плату, энергоносители, расходов на содержание и эксплуатацию оборудования, других косвенных расходов. На основании выполненных расчётов составляется смета затрат на проведение НИР.

В затраты на научно-исследовательскую работу включаются все прямые и косвенные расходы, независимо от источников их финансирования.

Прямые затраты – это расходы, связанные с выполнением исследования, включаемые непосредственно в его себестоимость. Сюда относятся капитальные затраты на оборудование и приборы для научных работ; затраты на топливо и энергоносители; затраты на основную и дополнительную заработную плату производственных рабочих, научных, инженерно-технических и других работников, занятых выполнением научно-исследовательской работы; затраты на научные и производственные командировки, связанные с выполнением НИР; затраты на оплату работ, выполненных другими организациями.

Косвенные затраты – это расходы, не относящиеся к конкретным темам исследовали. Они связаны с выполнением всех научно-исследовательских работ. Сюда относятся расходы на содержание аппарата управления, хозяйственные и другие расходы.

5.6.1. Определение капитальных затрат и амортизационных отчислений

При расчете капитальных затрат и амортизационных отчислений предусматриваются расходы на приобретение оборудования, необходимого для экспериментальных работ по теме.

Полная первоначальная стоимость оборудования и приборов с учетом коэффициента его загрузки по НИР определяется по формуле: Коб.з = Коб٠З, 

где  Коб – полная первоначальная стоимость оборудования и приборов, руб.;

З – коэффициент загрузки оборудования.

Сумма амортизационных отчислений по оборудованию и приборам рассчитывается по формуле: Аr = Kоб.з۰Na/100 ,

где  Kоб.з – полная первоначальная стоимость оборудования и приборов с учетом коэффициента его загрузки по НИР, руб.;

Na – норма амортизационных отчислений, %.

Расчет капитальных затрат и амортизационных отчислений приведен в табл. 5.6.1.1.   

     Таблица 5.6.1.1.

Определение капитальных затрат и амортизационных отчислений.

Оборудование

Количесвтво, шт

Цена, тыс. руб.

Общая стоимость, тыс. руб.

Затраты на монтаж, тыс. руб.

Балансовая стоимость, руб.

Коэффициент загрузки по НИР

Перво-началь-ная стои-мость с учетом НИР, тыс. руб.

Аморти-зационные отчисления

Наиме-нование

Модель

Нор-ма, %

Сум-ма, тыс. руб.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

Электронный сканирующий микро-скоп

Karl Zeiss EVO 50

1

11500

11500

1700

13200

0,0335

442,2

25,0

110,55

Рентге-новский фазовый анализатор

ДРОН-3

1

1400

1400

200

1600

0,0178

28,48

25,0

6,37

Лазерный дифрактометр

Fritsch Partical Sizer  analys-ette 22

1

9000

9000

1300

10300

0,0134

138,02

25,0

34,5

Спектрометр

Spectro-meter DT 1200

1

800

800

100

900

0,0045

4,05

25,0

1,01

Установка термомеханического удара

TIRATEST-2300

1

2000

2000

300

2300

0,0045

10,35

25,0

2,59

Дифрактометр

ARL X’TRA-145

1

600

600

80

680

0,0313

21,28

25,0

5,32

Печь камерная

СНО-4.8.2,5/ 13-И2

1

150

150

20

170

0,0089

1,5

25,0

0,37

Итого:

25450

645,86

160,71

5.6.2. Определение затрат на материалы и комплектующие изделия.

Затраты на мaтериалы должны включать: стоимость основных и вспомогательных материалов, покупных полуфабрикатов, комплектующих изделий и других материальных ценностей, необходимых для научно-исследовательской работы. Для определения затрат использована таблица 5.6.2.1. содержание граф 1, 2, 3 и 4 определено с учётом экспериментальной части проекта. Содeржание графы 5 определено по каталогам производителей материалов и кoмплектующих изделий. Содержание графы 6 определяется как произведение общего расхода на планoвую цену и коэффициент 1,05, учитывающий транспортные расхoды.

Таблица 5.6.2.1.

Смета затрат на материалы и комплектующие.

Наимено-вание

Назначение

Единица измерения

Общий расход

Плановая цена за единицу изделия, руб.

Общая стоимость, руб.

1

2

3

4

5

6

Сплав АК12

Исследуемый материал

кг

4

900

3600

Алюминий

Исследуемый материал

кг

2

1 100

2 200

Щелочь NaOH

Диспергирование АК12 в водном растворе

кг

3

40

120

Поли-виниловый спирт

Связующее для порошка

л

3

182

546

Итого:

6466

5.6.3. Определение затрат на заработную плату.

Фонд заработной платы инженерно-технических работников рассчитывается по формуле (25):

Зн=ДnКз,                                              (25)

где Д - должностной оклад, руб.;

n - количество месяцев работы по НИР;

Кз - коэффициент занятости (графа 6 таблицы).

Для расчёта общих затрат на заработную плату используют таблицу 5.6.3.1. содержание графы 2 соответствует сумме значений графы 6 таблицы 5.4.2.1. Фонд дополнительной заработной платы определяется в размере 20% от основной заработной платы. Графа 4 определяется как сумма значений граф 2 и 3. Отчисления в социальные фонды (графа 5) составляет 30% от основной и дополнительной заработной платы.

Таблица 5.6.3.1.

Ведомость фондов заработной платы.

Категория работников

Годовой фонд заработной платы

Отчисления в социальные фонды, руб.

Фонд основной зарплаты, руб.

Фонд дополни-тельной заработной платы, руб.

Всего руб.

1

2

3

4

5

Работники выполняющие НИР

39 375

7 900

42 275

14 182

5.6.4. Определение затрат на энергоносители.

Для расчёта затрат использована таблица 9. Затраты на энергоносители определяются по формуле (26):

Sэ = QrFnKmKпЦэ,                                         (26)

где: Qr - норма расхода электроэнергии за час работы, определяемая по паспортным данным оборудования;

Fn - фонд времени работы оборудования по НИР, час (графа 3);

Km - коэффициент использования мощности (графа 5);

Kп - коэффициент потери электроэнергии в сети (графа 4);

Цэ - стоимость 1 кВтчас электроэнергии, принятая по данным Цэ – 4,02 руб. (графа 8).

Значение графы 8 определяется произведением графы 3 и сooтветствующей нoрмoй расхода электроэнергии за час работы оборудования даннoгo вида. Рассчитанное значение затрат на электроэнергию приведенo в графe 9.

Таблица 5.6.4.1.

Расчёт затрат на топливо и энергоносители.

Вид топлива

Оборудование, его характеристика

Общий расход энергии

Цена, руб

Затра-ты, руб.

Наиме-нование

Фонд времени работы по НИР, час

Коэф-фициент потерь энерго-носителя

Коэф-фициент использо-вания мощности

Единицы изме-рения

Вели-чина

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Элек-три-ческая

Электрон-ный сканирую-щий микро-скоп

60

1,01

0,75

КВт/

час

24

4,02

4 385

Продолжение таблицы 5.6.4.1.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Элек-три-ческая

Рентге-новский фазовый анализа-тор

32

1,01

0,75

КВт/

час

7,0

4,02

682

Элек-три-ческая

Лазерный дифракто-метр

24

1,01

0,75

КВт/

час

4

292

Элек-три-ческая

Спектро-метр

8

1,01

0,75

КВт/

час

2,5

61

Элек-три-ческая

Установка термо-механичес-кого удара

8

1,01

0,75

КВт/

час

3,0

13

Элек-три-ческая

Дифракто-метр

56

1,01

0,75

КВт/

час

9,0

1 527

Элек-три-ческая

Печь камерная

16

1,01

0,75

КВт/

час

60,0

3 168

Итого:

8 601

5.6.5. Определение расходов по содержанию и эксплуатации оборудования.

Затраты на содержание и эксплуатацию оборудования представляют собой сумму затрат, сведённых в таблицу 5.6.5.1. Затраты на вспомогательные материалы и по уходу за оборудованием определены в размере 0,5% от стоимости оборудования. Затраты на силовую электроэнергию определяются как итог графы 9 таблицы 5.6.4.1.

Затраты на тeкущий рeмонт оборудования опрeдeляются в размepе 6% от их стоимости, привeдённой в итоге графы 9 таблицы 5.6.1.1.  Величина амортизационных отчислений определена в таблице 6 итог графы 11.

Возмeщeние износа инструмента и приспособлений определяется в размере 1% от стоимости оборудования итог графы 9 таблицы 5.6.1.1,

Прочиe рaсходы, связанные с содержанием оборудования составляют 3% от суммы рaсхoдoв по вышeпeрeчисленным статьям.

Затраты на содержание и эксплуатацию оборудования

Таблица 5.6.5.1.

№ п/п

Статьи затрат

Сумма, руб.

1

2

1

Затраты на вспомогательные материалы и по уходу за оборудованием

3 299

2

Затраты на электроэнергию

8 601

3

Затраты на текущий ремонт оборудования

38 751

4

Амортизация оборудования

160 701

5

Возмещение износа инструмента и приспособлений

6 458

6

Прочие расходы

3 317

Итого:

222 803

5.6.6. Определение расходов на научные и производственные командировки.

По этой статье предусматриваются расходы на служебные командировки, связанные с выполнением исследования, испытанием опытных образцов машин, оборудования, приборов.

В данной научно-исследовательской работе не были предусмотрены расходы на командировки.

5.6.7. Определение затрат на оплату работ, выполненных сторонними организациями и предприятиями

Затраты на оплату работ, выполненных другими организациями и предприятиями, включают расходы на оплату научно-исследовательских работ, выполняемых сторонними научными организациями, макетов и опытных образцов, полученных со стороны, если затраты по их изготовлению включаются в стоимость темы, а также работ и услуг, выполненных предприятиями.

В данной научно-исследовательской работе не были предусмотрены расходы на оплату работ, выполненных другими организациями и предприятиями.

5.6.8. Определение накладных расходов.

По статье "Накладные расходы" предусматриваются расходы, связанные с приобретением и подготовкой материалов специальной научно-технической, в том числе патентной информации, предназначенной для проверки патентной чистоты и соответствия уровню мировых стандартов; расходы по оплате научных консультаций, анализов и экспертиз; премии за работы по теме, выплачиваемые в соответствии с распоряжениями правительства; расходы на содержание аппарата управления, хозяйственные расходы. Из практики работы предприятий автомобилестроения накладные расходы могут быть определены в размере 100% от суммы затрат на исследование.

5.6.9. Составление сметы затрат на выполнение НИР.

Смета затрат на выполнение НИР приведена в таблице 5.6.9.1. Затраты на материалы приведены в итоге графы 6 таблицы 5.6.2.1. Затраты на заработную плату определены в таблице 5.6.3.1. Затраты на энергоносители приведены в итоге графы 9 таблицы  5.6.4.1. Расходы на содержание и эксплуатацию оборудования определены в итоге графы 3 таблицы 5.6.5.1.

Смета затрат на НИР

Таблица 5.6.9.1.

Наименование статей затрат

Сумма, руб.

Структура затрат, %

1

2

3

Затраты на материалы

6 466

1,08

Затраты на энергоносители

8 601

1,44

Затраты на основную заработную плату

39 375

6,58

Дополнительная заработная плата

7 900

1,31

Отчисления в социальные фонды

14 182

2,37

Расходы на командировки

0

0

Расходы на содержание и эксплуатацию оборудования

222 803

37,22

Оплата работ, выполненных другими организациями и предприятиями

0

0

Накладные расходы

299 327

50

Итого:

598 654

100,00

5.7. Маркетинговые исследования

1. Обратиться к посреднической фирме, которая занимается скупкой и продажей научных разработок. Преимуществом этого варианта является простота, недостатком - отсутствие максимальной выгоды.

2. Самостоятельный выход на рынок.

2.1.Изучение рынка (обратиться к средствам массовой информации: газетам, научным журналам, сборникам технической литературы).

2.2.Выбор сегмента рынка (тот сектор рынка, где возможно использование этой разработки; проверить, есть ли аналогичные разработки, запатентованы ли они).

2.3. Обращение к целевой аудитории.

2.3.1. Непосредственное обращение (рынок покупателя). Держатель разработки обращается к возможным покупателям напрямую. Преимуществом такого варианта является высокая скорость реализации, отсутствие дополнительных затрат, недостаток заключается в отсутствии максимальной выгоды (покупателю предлагается товар, поэтому он старается снизить цену).

3. Косвенное обращение (рынок продавца). Держатель разработки подготавливает целевую аудиторию (выступление в средствах массовой информации - статьи в научных журналах, описывающие разработку и её преимущества перед существующими аналогами, например: журнал «Мир металла», журнал «Наука и жизнь», журнал «Инженер»). По сравнению с прямым обращением этот способ приносит большую прибыль, но требует много времени и дополнительных затрат.

4.  Кроме вышеперечисленных способов можно предложить свои идеи какому-либо предприятию, занимающемуся производством технической продукции (машиностроение, предприятия оборонно-промышленного комплекса, авиастроения). Преимуществом этого варианта является то, что малые предприятия обладают небольшим объёмом выпуска и они будут рады выйти на рынок с новой идеей.

5.8. Технико-экономическое обоснование НИР

В результате проведённых НИР создана проектная и рабочая документация, а также данные для создания опытных образцов высококачественной керамики.

Комплекс полученных результатов позволяет сделать вывод о целесообразности разработанной технологии утилизации стружки силумина с дальнейшим получением восококачественной  керамики.

1. Использование методов сетевого планирования и управления позволило сократить сроки проведения НИР с 85 дней до 59 и выявить резервы времени на отдельных участках.

2. Составлена смета затрат на проведение НИР, сумма которой 598 654 рублей.

3. Так как работа проводилась в лабораторных условиях, подсчитать экономический эффект не представляется возможным. Однако результаты исследований могут быть использованы при разработке и создании технологического процесса изготовления изделий из высококачественной керамики на основе силумина.


6. ВЫВОДЫ ПО ДИПЛОМНОЙ РАБОТЕ

1. На основании анализа бинарных диаграмм состояния – Al2O3SiO2 показано, что в спеченном на воздухе материале, изготовленном из осадка – продукта химического диспергирования (о-пхд) сплава Al-Si (12% масс) при избыточном содержании в нем щелочных ионов (Na+ и OH-), могут образовываться алюминаты натрия (Na2O·6Al2O3 и Na2O·11Al2O3) и силикаты натрия (Na2SiO3 и Na2Si2O5).

2. Предложена и отработана последовательность технологических операций, позволяющих получать спеченную керамику из о-пхд сплавов Al-Si (12% масс)

Разработанная технология основана на применении известных и общепринятых, как в керамической технологии, так и в порошковой металлургии, процессов и оборудования.

3. Особенностью процесса отмывки о-пхд сплавов Al-Si (12% масс) путем декантации является постепенное понижение показателя рН – среды с увеличением кратности циклов отмывки (с 12,9 до 10,3 – для о-пхд сплава Al-Si12% масс )

Максимальная степень отмывки осадка определяется минимальным значением его рН – среды, которое связано со способностью его частиц адсорбировать и удерживать щелочные ионы - Na+ и OH-. Установлено, что увеличение дисперсности частиц осадка повышает его адсорбирующую способность по отношению к щелочным ионам. Экспериментально установлено проявление коагуляции частиц осадков в процессе декантации, связанной с уменьшением концентрации ионов Na+ в диффузном слое мицелл, приводящей к нивелированию эффекта их электростатического отталкивания.

4. Методом мокрого ситового анализа установлено, что о-пхд сплава Al-Si (12% масс) состоит, в основном (70% масс), из дисперсных частиц микронного и наноразмерного диапазона, проходящих через сито с размером ячеек 50 мкм – (дисперсная фракция - <50 мкм). Зафиксировано также образование зернистых фракций (от 63/50 мкм до > 1000 мкм).  

Количественное соотношение образующихся дисперсной и зернистой фракций в осадке определяется доминированием определенного процесса, протекающего при химическом диспергировании: зернограничной щелочной коррозии сплава, либо взаимодействия раствора щелочи с поверхностью зерен сплава (первый определяет образование зернистых фракций, второй – дисперсной фракции).

5. Установлено, что увеличение степени отмывки осадка (при снижении рН среды от 12,9 до 10,3) – пхд сплава Al-Si (12% масс), приводит к повышению плотности (от 1,67 до 2,92 г/см3) и механических свойств спеченного материала (прочности при изгибе – от 5 до 125 МПа, параметра трещиностойкости – от 0,2 до 3,0 МПа· м1/2, прочности при ударном изгибе – от 1·103 до 2,5·103 Дж/м2). Это связано с более плотной укладкой зерен α-Al2O3 вследствие образования дискретных прослоек нефелина между ними и их диффузионного сращивания по межзеренным контактам при спекании.  

Особенностью его структуры является наличие значительного порового пространства, образованного системой сообщающихся пор и каналов микронного сечения, образованных в результате газовыделения при спекании образцов вследствие испарения оксидных компонентов шихты.

6. Проводимые исследования не несут опасности поражения электрическим током, для обеспечения электробезопасности применяется защитное заземление.

7. Использование методов сетевого планирования и управления позволило сократить сроки проведения НИР с 85 дней до 59 и выявить резервы времени на отдельных участках.

* * *

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, «Соглашение №16.552.11.7082».

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1.  Анциферова И.В., Кульметьева В.Б., Порозова С.Е., Ряпосов И.В. Механическая активация ультрадисперсных порошков оксида алюминия и свойства корундовой керамики. // Огнеупоры и техническая керамика. - 2008. №1.-С. 29-32.
  2.  Буякова С.П., Кульков С.Н. Формирование структуры пористой керамики, спеченной из нанокристаллических порошков // Огнеупоры и техническая керамика. - 2005. №11. - С. 6-11.
  3.  Лукин Е.С., Макаров H.A., Козлов А.И. и др. Оксидная керамика нового поколения и области ее применения // Стекло и керамика. — 2008. — №10.- С. 27-31.
  4.  Бакунов B.C., Лукин Е.С. Особенности технологии высокоплотной технической керамики. Химические методы получения исходных порошков // Стекло и керамика. - 2008. №2. - С. 3-7.
  5.  Бакунов B.C. Оксидная керамика: Спекание и ползучесть // Министерство образования и науки РФ, - М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2007.- 584 с.
  6.  Валиев P.3., Александров И.В. Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией. - М: Логос, 2000. - 272с.
  7.  Гегузин Я.Е., Макаровский H.A., Богданов В. В. Об особенностях механизма спекания прессовок из ультрадисперсных порошков // Порошковая металлургия. - 1984. № 6. - С. 39-44.
  8.  Григорьев M.B., Кульков C.H. Особенности синтеза керамики на основе порошков А1203 различной дисперсности // Перспективные материалы - 2010. №6.
  9.  Gleiter Н. Materials with ultrafine microstructures: retrospectives and perspectives // Nanostruct. mater.. - 1992. - V.l. - P.l - 19.
  10.  Андриевский Р.А. Получение и свойства нанокристаллических и тугоплавких соединений // Успехи химии. - 1994. - № 5. - С.431 - 448.
  11.  Гегузин Я.Е. Физика спекания // M: Наука, 1984. - 312 с.
  12.  Иванов В.В., Паранин С.Н., Вихрев А.Н., А.А.Ноздрин А.А. Эффективность динамического метода уплотнения наноразмерных порошков // Материаловедение. — 1997. - № 5. - С. 49 - 55.
  13.  Иванов В.В., Хрустов В.Р. Синтез керамики из наноразмерного порошка AI2O3, спрессованного магнитно-импульсным способом // Неорганические материалы. - 1998.- Т. 34. - № 4. - Р. 495-499.
  14.  Иванов В.В., Хрустов В.Р. Исследование кинетики спекания нанокерамики а- А1203 // Физика и химия обработки материалов. - 1996. - № 4. - С. 96 - 99.
  15.  Спивак И.И., Рысцов B.H. Исследование кинетики полиморфного превращения и его влияния на механизм спекания оксида алюминия // Известия АН СССР: Неорган. Материалы. - 1982.-Т. 18.-№7.-С. 1166-1171.
  16.  Лукин Е.С. современная высокоплотная оксидная керамика с регулируемой микроструктурой. Часть 1. Влияние агрегации порошков на спекание и микроструктуру керамики.// Огнеупоры и техническая керамика. 1996№1.С.5-13.
  17.  Новая керамика / Под. ред. П. П. Будникова. - М.: Изд. лит. по сгр.-ву, 1969.-310 с.
  18.  Одзаки E. Технологии получения порошков, предназначенных для изготовления керамических материалов // Коге дзайре 1983. Т .31, №.12. с.21-28.
  19.   Резчиков Е.А, Ю.Л. Ткаченко, А.В. Рязанцева Безопасность жизнедеятельности – М.: МГИУ, 2012. -401 с.
  20.  Уманский Я.О., Ю.А. Скаков, А.Н. Иванов и др. Кристаллография, рентгенография и электронная микроскопия // М.: Металлургия. - 1982. - С. 632.
  21.  Ушаков В.А., Мороз Э.М. Рентгенографическое исследование оксидов алюминия // Кинетика и катализ. - 1985. Т. 26. № 4. - С. 963-967.


*

Рис. 3.1.5.. Вид частиц осадка – продукта химического диспергирования сплава Al-Si (12%масс.), распределенного по фракциям методом мокрого ситового анализа (подложка – миллиметровая бумага).

1000/630

630/315

315/200

200/160

160/100

100/63

<50

63/50

>1000

1

2

τ, ч

1350

T, °C

4

5

0

Технологическая операция

Используемое технологическое оборудование и параметры технологического процесса

3

2

5

4

6

Химическое диспергирование исходного Al-сплава

Реактор с системой теплоотвода из реакционного объема,
20% р-р
NaOH

Отмывка осадка путем декантации

Емкость из щелочестойкого пластика, водопроводная вода

Выделение осадка путем вакуумной фильтрации

Сушильный шкаф СНОЛ-3.5, 60-200°C, конечная влажность осадка 0%

Сушка осадка на воздухе

Форвакуумный насос, воронка Бюхнера, колба Бунзена

Термообработка полученного порошкового продукта на воздухе

Печь СВК-5163 с хромитлантановыми нагревателями, 1350°C, 1 час

Приготовление шихты путем смешивания порошка с органической связкой

10% р-р ПВС, 3-10% на сухой остаток в-ва

7

Прессование

Гидравлический пресс П-50, давление 200 МПа

8

Выжиг органической связки на воздухе

Сушильный шкаф СНОЛ-3.5, 350°C, 1 – 5 часов

9

Спекание на воздухе

Печь СВК-5163 с хромитлантановыми нагревателями, 1500°C, 1 час

V1=15 л

V2=12 л

1

2

3

1

2

3                                                                                                                                                                       

4

5

6

1

2

3

4

5

6

7

8

Электростатическое

отталкивание

7

200

350

T, °C

1

2

3

4

τ, ч

0

1500

T, °C

0

5

6

τ, ч.

3

2

1

А

1

2

3

Б

1

2

3

4

Рис. 4.4.1. Схема защитного заземления в однофазной двухпроводной сети

  1.