Изменение свойств ферритовых порошков при механической активации в планетарной мельнице типа АГО

Работа посвящена исследованию влияния механической активации исходных реагентов в планетарной мельнице на структурные свойства и реакционную способность ферритовых образцов. Для оценки влияния механической активации были использованы такие методы как рентгенофазовый анализ, сканирующая электронная микроскопия, лазерная дифракция, метод БЭТ и термический анализ. В результате исследования было определено, что механоактивация смеси проводит к диспергированию частиц, их вторичной агрегации и уплотнению, а также к повышению реакционной способности, при этом состав смесей остается неизменным и никаких реакций в результате механической активации не происходит.

Введение ……………………………………………………………………………………………………… 18
1 Обзор литературы …………………………………………………………………………………….. 20
1.1 Ферриты ……………………………………………………………………………………………… 20
1.2 Механическая активация ……………………………………………………………………… 22
1.3 Лазерная дифракция ……………………………………………………………………………. 28
1.4 Сканирующая электронная микроскопия……………………………………………… 29
1.5 Метод Брюнера, Эммета и Теллера………………………………………………………. 32
1.6 Термический анализ…………………………………………………………………………….. 34
1.6.1 Термогравиметрический анализ ……………………………………………………… 35
1.6.2 Дифференциальная сканирующая калориметрия…………………………….. 35
1.6.3 Синхронный термический анализ …………………………………………………… 36
1.6.4 Дилатометрический анализ …………………………………………………………….. 36
1.7 Рентгенофазовый анализ ……………………………………………………………………… 37
2 Объект и методы исследования …………………………………………………………………. 40
2.1 Объект исследования …………………………………………………………………………… 40
2.2 Методы исследования………………………………………………………………………….. 43
3 Экспериментальные исследования …………………………………………………………….. 56
3.1 Рентгенофазовый анализ ……………………………………………………………………… 56
3.2 Исследование микроструктуры методом сканирующей электронной
микроскопии …………………………………………………………………………………………….. 58
3.3 Исследование среднего размера частиц порошка методом лазерной
дифракцией и методом Брюнера, Эммета, Тейлера ……………………………………. 65
3.4 Термический анализ…………………………………………………………………………….. 73
4 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение ……. 79
4.1 Предпроектный анализ ………………………………………………………………………… 79
4.1.1 Потенциальные потребители результатов исследования …………………. 79
4.1.2 Анализ конкурентных технических решений ………………………………….. 79
4.1.3 SWOT-анализ ………………………………………………………………………………… 81
4.2 Планирование управления научно-исследовательского проекта …………… 85
4.2.1 Структура работ в рамках научного исследования ………………………….. 85
4.2.2 Определение трудоемкости выполнения работ ……………………………….. 86
4.2.3 Разработка графика проведения научного исследования …………………. 87
4.2.4 Бюджет научно-технического исследования …………………………………… 90
5 Социальная ответственность …………………………………………………………………….. 99
5.1 Производственная безопасность ………………………………………………………….. 99
5.1.1 Анализ выявленных вредных факторов, возникающих при
приготовлении смеси исходных реагентов литий-замещенных ферритов. 102
5.1.2 Анализ выявленных опасных факторов возникающих при
приготовлении смеси исходных реагентов литий-замещенных ферритов. 108
5.2 Экологическая безопасность………………………………………………………………. 109
5.3 Безопасность в чрезвычайных ситуациях …………………………………………… 110
5.4 Правовые и организационные мероприятия обеспечения безопасности . 112
5.4.1 Специальные (характерные для рабочей зоны исследователя) правовые
нормы трудового законодательства ………………………………………………………. 112
5.4.2 Организационные мероприятия при компоновке рабочей зоны
исследователя ………………………………………………………………………………………. 112
Заключение ……………………………………………………………………………………………….. 114
Список публикаций студента ……………………………………………………………………… 117
Список использованных источников ………………………………………………………….. 118
Приложение А …………………………………………………………………………………………… 125

При разработке магистерской диссертации была проанализирована
литература по ферритам, механической активации, а также по методам,
позволяющим оценить структурные свойства и реакционную способность
ферритовых порошков.
В ходе выполнения работы было проведено исследование влияния
механической активации в планетарной мельнице на структурные свойства и
реакционную способность смесей исходных реагентов литий-замещенных
ферритов. Микроструктура смесей была исследована методом сканирующей
электронной микроскопии, средний размер частиц был получен при помощи
метода лазерной дифракции и метода Брюнера, Эммета, Тейлера, реакционная
способность смесей оценивалась при помощи термического анализа, а фазовый
состав был определен при помощи рентгенофазового анализа.
Рентгенофазовый анализ позволил определить, что состав исходных
смесей литий-замещенных ферритов сохраняется и реакций в процессе
механической активации не происходит. Но при этом происходит уменьшение
кристаллических фаз, изменение размеров кристаллитов и искажения решеток
по причине соударения и истирания в процессе механической активации.
По микрофотографиям смесей исходных реагентов литий-замещенных
ферритов было определено, что в результате механической активации
происходит увеличение среднего размера агломератов с 10 до 13 мкм и их
уплотнение по сравнению с агломератами немеханоактивированных смесей.
Также было отмечено, что в результате механической активации частицы
карбоната лития измельчились и равномерно распределились по всей шихте,
что привело к тому, что диффузия между оксидом железа и карбонатом лития
стала происходить быстрее.
Методом лазерной дифракции было определено, что у смеси исходных
реагентов литий-цинкового феррита после механической активации
увеличилось количество мелкодисперсных частиц в диапазоне от 0.5 до 5 мкм,
а для смеси исходных реагентов литий-титанового феррита от 1 до 5 мкм.
Однако при этом наблюдалось увеличение крупнодисперсных частиц в
диапазоне от 50 до 100 мкм, что связано с образованием агломератов в
результате механической активации.
Методом БЭТ было определено, что величина удельной поверхности
смесей литий-замещенных ферритов увеличивается после механической
активации, что обусловлено увеличением дефектности частиц и уменьшением
их размера, что было подтверждено расчетами.
Также был проведен термический анализ смесей исходных реагентов
литий-цинкового феррита, как до МА, так и после, заключающийся в
измерении термогравиметрических (ТГ/ДТГ) и калориметрической кривой
(ДСК) в одной системе и дилатометрических кривых.
По ТГ-кривой исходной смеси было определено, что при температуре
приблизительно равной 500 С происходит весовой спад, а для
механоактивированной – при 350 С. Уменьшение массы связано с тем, что
взаимодействие оксида железа с карбонатом лития сопровождается выделением
углекислого газа. Также по ТГ-кривой исходной смеси было определено
скачкообразное изменение веса при температуре приблизительно
равной 730 С, связанное с тем что карбонат лития не успел прореагировать с
оксидом железа, и стал плавиться, поскольку температура пика соответствует
температуре его плавления. Из чего следует, что механическая активация смеси
исходных реагентов литий-цинкового феррита приводит к повышению
скорости образования литиевых ферритов.
По дилатограммам было определено, что основное уплотнение образцов
из исходной смеси реагентов литий-цинкового феррита приходится на
неизотермическую стадию нагрева (730 – 1100 °С). А для образцов из
механоактивированной смеси значительное уплотнение начинает происходить
при температуре приблизительно равной 950 °С. В результате спекания
образцов из исходной смеси относительная усадка получилась приблизительно
равной 0.12, а для образцов из механоактивированной смеси – 0.75. Также по
расчетам было определено, что плотность образцов из механоактивированной
смеси больше по сравнению с образцами из исходной смеси.
Исходя из всего вышеперечисленного, был сделан вывод, что
механоактивация смеси проводит к диспергированию частиц, их вторичной
агрегации и уплотнению, а также к повышению реакционной способности, при
этом состав смесей остается неизменным и никаких реакций в результате
механической активации не происходит.
Список публикаций студента

1. Яруллина А.Р. Исследование влияния механической активации
исходных реагентов на дисперсность ферритовых порошков / А.Р. Яруллина,
Е.Н. Лысенко // Фундаментальные проблемы радиоэлектронного
приборостроения. – 2016. – Т. 16. – № 3. – С. 112-115.
2. Яруллина А.Р. Микроструктурный анализ прекурсоров для получения
литиевых ферритов / А.Р. Яруллина, Е.Н. Лысенко // Sibtest 2017: Сборник
тезисов Всероссийской молодежной научной школы по инновациям в
неразрушающем контроле SibTest. – 2017. – C. 47-48.
3. Яруллина А.Р. Микроструктурный анализ механоактивированной
смеси Fe2O3 – TiO2 – Li2CO3 для получения литиевых ферритов / А.Р. Яруллина,
Е.В. Николаев, Е.Н. Лысенко// Фундаментальные проблемы радиоэлектронного
приборостроения. – 2017. – Т. 17. – № 2. – С. 286-289.
4. Яруллина А.Р. Исследование методом БЭТ влияния механической
активации прекурсоров на дисперсность порошков литий-цинкового феррита /
А.Р. Яруллина // Ресурсоэффективные системы в управлении и контроле:
взгляд в будущее: сборник научных трудов V Международной конференции
школьников, студентов, аспирантов, молодых ученых. – Томск: ТПУ – 2016 –
Т. 1 – C. 248-251.
5. Shevelev S.A. Influence of metallic additives on manganese ferrites
sintering / S.A. Shevelev, P.A. Luchnikov, A.R. Yarullina // IOP Conf. Series:
Materials Science and Engineering. – 2018. – Vol. 289 – 012016, 5 р. –
doi:10.1088/1757-899X/289/1/012016