Оптимизация состава и свойств керамического композита на основе барита и бентонита

Айдаралиев Ж.К., Кайназаров А.Т., Рашид кызы Б., Пугачева И.Н., Суйунбек уулу А. Оптимизация состава и свойств керамического композита на основе барита и бентонита. Нанотехнологии в строительстве. 2025;17(6):715–732. https://doi. org/10.15828/2075-8545-2025-17-6-715-732. – EDN: SQPEGQ.

Aidaraliev Z.K., Kainazarov A.T., Rashid kyzy B., Pugacheva I.N., Suiunbek uulu A. Optimization of the composition and properties of a ceramic composite based on barite and bentonite. Nanotechnologies in Construction. 2025; 17(6):715–732. https://doi. org/10.15828/2075-8545-2025-17-6-715-732. – EDN: SQPEGQ.

В настоящее время барит активно используется в различных отраслях народного хозяйства: в качестве утяжелителя буровых растворов, а также в бумажной, строительной, лакокрасочной, резиновой, химической, металлургической, электротехнической промышленности, сельском хозяйстве, медицине (для защиты от рентгеновских лучей), пиротехнике и других сферах.

В [1] проведен анализ современного состояния и тенденций развития рынка баритового сырья, а также оценка возможностей возобновления добычи барита в Республике Коми. Приведены сведения о ресурсах, запасах, месторождениях, объемах добычи барита в различных странах мира, импортно-экспортных операциях и ценах. Показано, что потребление барита в течение многих лет связано главным образом с бурением разведочных и эксплуатационных скважин на нефть и газ. Вместе с этим, возрастает использование барита в химической, лакокрасочной, резинотехнической и других отраслях промышленности.

В работе [2] кристаллические порошки барита и рутила были измельчены в лабораторной шаровой мельнице в различных газовых средах – воздухе, азоте и гелии. Отмечено резкое увеличение интенсивности образования субмелкозернистых частиц порошка барита в среде гелия по сравнению со средами воздуха и азота.

Система двух смешивающихся жидкостей была экспериментально проверена в качестве генератора наночастиц на примере синтеза наночастиц сульфата бария при контакте растворов прекурсоров, находящихся в разных фазах: фаза 1 – (H2O + тетрагидрофуран), фаза 2 – (H2O) [3].

В работе [4] установлено, что модифицирование цемента нано- и/или микроразмерными гидросиликатами бария способствует увеличению содержа-

ния различных гидросиликатов кальция в структуре цементного камня, а также снижению содержания портландита и гидросульфоалюминатов кальция.

По данным анализа химико-минерального и фракционного составов, а также физико-химических характеристик бентонитовой глины Северо-Джамансайского месторождения (Каракалпакстан), установлена возможность ее применения в производстве керамических теплоизоляционных материалов различного назначения [5].

На основе примеров применения кавитационных технологий для интенсификации гидромеханических и массообменных процессов, а также деструкции веществ, сделан вывод о том, что кавитация существенно усиливает многие химико-технологические процессы в жидкой среде [6–8].

В работе [9] рассмотрен процесс диспергирования мела в вертикальных бисерных мельницах с применением дополнительных воздействий в виде гидродинамической кавитации и ультразвука. Представлены результаты экспериментальных исследований эффективности измельчения при использовании различных методов.

В [ 10] представлена информация о современном состоянии разработки и получения нанопленок, нанопокрытий, наномембран, нанотрубок, наностержней и нанопроволок в мировой практике и в России.

Использование оксида церия в составе шихты способствует повышению тугоплавкости и химической стойкости получаемого керамического материала [11]. Добавление борной кислоты способствует формированию стекловидной фазы при обжиге и снижает температуру жидкофазного спекания керамики. Совместное применение оксида церия и борной кислоты обеспечивает эффект самоглазуро-вания поверхности изделий, а также остекловывания частиц керамического материала.

В статье [12] представлена технология получения новых радиационно-защитных керамических мате-

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ риалов на основе высокоглиноземистого вяжущего и заполнителя – оксида висмута, обеспечивающих высокие физико-механические и радиационно-защитные свойства.

В статье [13] рассмотрены возможности использования барита (BaSO4) для разработки технологии новых композиционных материалов. Показано, что введение диоксида кремния (SiO2) способствует получению материалов с улучшенными эксплуатационными свойствами.

В работе [14] получена пористая керамика на основе α-Al2O3 с использованием эффекта зонального уплотнения при спекании порошковых заготовок, изготовленных из высокодисперсных продуктов сгорания чешуйчатых частиц алюминиевого порошка ПАП-2 в воздушной среде.

Потребление барита расширяется, что связано с внедрением в производство барийсодержащей керамики, обладающей улучшенными физико-техническими свойствами, а также с ростом потребностей ядерной энергетики, поскольку барит является наиболее доступным и дешевым компонентом для защитных установок и сооружений.

МЕТОДЫ И МАТЕРИАЛЫ

В Кыргызской Республике выявлено более 40 объектов барита. Три из них расположены в Чуйской области, девять – в Нарынской, два – в Ошской и один – в Баткенской области. Среди них выделяется месторождение барита «Арсы», где запасы барита, находящегося в контуре полиметаллических руд при содержании 10–15%, по категории C2, составляют 122,8 тыс. тонн. Общие запасы руды на месторождении оцениваются в 1124 тыс. тонн.

Химический состав барита месторождения Арсы был исследован с использованием атомно-эмиссионного спектрального анализа, рентгенофлуоресцентного анализа и силикатного химического анализа. Рентгенодифрактометрический анализ проводился на дифрактометре AL-27MINI в диапазоне 2θ от 10° до 70°. Скорость сканирования составляла 4°/мин при шаге 0,04°. Рабочее напряжение и сила тока составляли, соответственно, 30 кВ и 10 мА. Фурье-ИК спектры были зарегистрированы на спектрометре

Рис. 1. Барит месторождения Арсы

IRSpirit-T, оснащенном приставкой QATR-S, в диапазоне 400–4000 см–¹. Фоновая коррекция выполнялась перед каждой записью для устранения атмосферных искажений.

Химический состав барита месторождения Арсы в Кыргызстане приведен в таблице 1.

Химический анализ показал, что барит месторождения Арсы, по сравнению с другими месторождениями, отличается высоким содержанием основного компонента и немного иным составом примесей (см. табл. 1). Основу минерала составляет сульфат бария (BaSO4) – соединение бария и серы.

Микрокремнезем представляет собой тонкодисперсный порошок, состоящий из частиц диоксида кремния (SiO2) размером от 0,1 до 0,3 микрометра. Основной химический состав микрокремнезема приведен в таблице 2.

Гранулометрический состав бентонитовой глины Абширского месторождения приведен в таблице 3 (в %).

Основные показатели химического состава бентонита Абширского месторождения представлены в таблице 4.

Для разработки и оптимизации керамических композиционных материалов в качестве основного сырья была использована бентонитовая глина, а в качестве модифицирующих добавок – барит и микрокремнезем. Целью эксперимента являлось определе-

Таблица 1. Химический состав барита месторождения Арсы

Барит месторождения Арсы	Химические элементы, мг/кг х10–1
Методы определения	Ba	Ca	SiO 2	Al 2 O 3	Fe 2 O 3
Атомно-эмиссионный спектральный анализ	90	8	1,8	0,1	0,2
Рентгено-флуоренцентный анализ XLЗТ-960	91	8,4	1,6	0,13	0,15

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ ние оптимального сочетания компонентного состава и параметров термообработки, обеспечивающих наилучшие физико-механические характеристики: плотность, прочность на сжатие, водопоглощение и объемную усадку.

Формование образцов производилось в формах размерами 20×20×5 см. Сушка проводилась при температуре 100–105 °C в течение 2 часов, после чего образцы подвергались термообработке при температуре от 800 до 900 °C в течение 10–45 минут. Оптимизация состава проводилась с использованием методов экспериментально-статистического моделирования на основе четырехфакторного планирования эксперимента (план В₄), в котором варьировались следующие факторы: Х1 – содержание барита, %; Х2 – содержание микрокремнезема, %; Х3 – температура термообработки, °C; Х4 – время термообработки, мин.

В качестве целевых функций (откликов) были выбраны: Y1 – плотность, г/см³; Y2 – водопоглощение, %; Y3 – прочность на сжатие после обжига, МПа; Y4 – объемная усадка, %.

Гидрокавитатор предназначен для обработки жидких и жидко-твердых сред с использованием гидродинамической кавитации и механического воздействия [8].

Таким образом, гидрокавитатор обеспечивает эффективную обработку жидких сред за счет совмещения кавитационного и механического воздействия.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Баритовая порода изначально была раздроблена с помощью дробилки до состояния крошки (рис. 2). Далее дробленая крошка была измельчена в шаровой мельнице в течение 45 минут (рис. 3). Полученный порошок барита просеивали через сито с размером ячеек 0,23 мм.

Полученный нами порошок (рис. 3) использовали в качестве наполнителя, имеющего гранулометрический состав, определенный нами с помощью ситового анализа (табл. 5).

Гранулометрический состав порошков определили с помощью ситового метода. Удельная плотность

Рис. 2. Баритовая крошка

Рис. 3. Измельченный порошок барита

Таблица 2. Состав микрокремнезема

№ п/п	Наименование	Химическая формула	Содержание, в %
1	Диоксид кремния	SiO 2 SiO_2SiO	85–98
2	Оксид алюминия	Al 2 O 3 Al 2 O_3Al 2 O 3	0,2–0,8
3	Оксид железа	Fe 2 O 3 Fe2O3Fe 2 O 3	0,1–0,5
4	Оксид кальция	CaOCaOCaO	0,5

Таблица 3. Гранулометрический состав бентонитового сырья

Наименование месторождения	Содержание фракций, %, размером, мм
Абширская бентонитовая глина	0,005–0,01	0,01–0,05	0,05–0,1	0, 1–0,25	0,25–0,5	0,5–1,0
	38,60	22,65	5,59	18, 25	5, 65	8, 85

Таблица 4. Химический состав бентонита Абширского месторождения

SiO 2	Al 2 O 3	Fe 2 O 3	CaO	MgO	Другие примеси	П.п.п.	Сумма
65,84	14,8	4,35	2,85	1,76	7,68	2,72	96,32

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ порошка была равна 8,9 г/см3, а отношение максимального размера частиц к минимальному размеру составляло 600:1.

Был проведен 4-х-факторный эксперимент по плану В4 (табл. 6). Варьировались 4 рецептурных фактора: Х1 – барит, %; Х2 – микрокремнезем, %; Х3– температура термообработки, С°; Х4– время термообработки, мин.; остальное – бентонит.

Уровни варьирования четырех факторов представлены в табл. 7. Параметрами оптимизации служили: Y1 – плотность, кг/м3, Y2 – водопоглощение %; Y3 – прочность на сжатие, МПа; Y4 – объемная усадка, %.

На основе уровней варьирования факторов (табл. 7) и результатов эксперимента по плану (табл. 8) были получены уравнения регрессии для плотности, водопоглощения, прочности и усадки материала. На основании этих уравнений были построены номограммы, соответствующие плану эксперимента.

Математическая модель, описывающая зависимость плотности, представлена в следующем виде:

Y1 (ρ ) = 1,536 + 0,015 x3x4. (1)

Модель признана адекватной, значение критерия Фишера Fa = 1,182 < 1. Установлено, что наибольшее влияние на плотность оказывает взаимодействие температуры и времени термообработки. Единственным значимым фактором является именно это взаимодействие (x3x4). Остальные факторы и квадратичные взаимодействия статистически значимого влияния не продемонстрировали.

Таким образом, плотность образцов увеличивается при одновременном повышении температуры и времени обжига. Это связано с более плотным спеканием материала при интенсивной термообработке.

Следовательно, для повышения плотности материала рекомендуется использовать максимальные значения температуры и времени обжига в пределах исследованного диапазона. Номограммы плотности керамического композита в девяти точках факторного пространства по осям X3 и X4 представлены на рис. 4.

Уравнение математической модели, характеризующей водопоглощение, выглядит следующим образом:

Y2 = 10,18 + 0,31 х1 – 0,54 х12 + 0,27 х1х4 –

– 0,07 х3 х4. (2)

Модель признана адекватной (Fa = 1,279 < 1).

Модель показала, что водопоглощение материала снижается при увеличении содержания микрокремнезема и повышении температуры, а также зависит от взаимодействия факторов.

Наиболее значимое влияние оказывают содержание барита (x1) и его квадратичный эффект (x12), взаимодействие барита с временем термообработки (x1x4), а также, в меньшей степени, взаимодействие температуры и времени термообработки (x3x4).

При увеличении количества барита водопо-глощение керамического композита сначала возрастает, а затем уменьшается, что подтверждается отрицательным квадратичным эффектом (x12 <0). Увеличение времени и температуры термообработки способствует снижению водопоглощения.

Таблица 5. Гранулометрический состав баритового порошка

Средний размер порошка, d мкм	Соотношение баритового порошка
	в грамме	в процентах
Менее 50	10,6	1,53
75	20,0	19,88
150	25,0	24,85
257	25,0	24,85
457	20,0	19,88

Таблица 6. Уровни варьирования факторов

Уровни факторов	Значение факторов
	Х 1 – барит, %	Х 2 – микрокремнезем, %	Х 3 – температура термообработки, 0С	Х 4 – время термообработки, мин.
–1	10	0	800	15
0	20	5	850	30
1	30	10	900	45

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

Номограммы водопоглощения керамического композита Y ₁ = f ( x ₁, x ₂) в девяти точках факторного пространства x₃ и x₄ показаны на рис. 5.

Оптимальный результат достигается при умеренном содержании барита (около 20%) и увеличенном времени обжига.

Математическая модель прочности на сжатие (Y3) керамического композита представлена следующим уравнением:

• Y₃ = 1,16 + 0,13 х₁ + 0,47 х₁² + 0,13 х₁х₂ +

+ 0,16х1х3 + 0,16 х2 + 0,25 х2х3 + 0,17 х3 –

– 0,78 х32 + 0,1 х3 х4 + 0,1 х4. (3)

Модель признана неадекватной (Fрасч > Fкр; Fa = 9,414 > 1), что указывает на необходимость ее корректировки или проведения дополнительного эксперимента.

Прочность на сжатие керамического композита увеличивается при росте содержания барита, микрокремнезема и температуры обжига. Однако избыточно высокая температура в сочетании с длительной выдержкой оказывает отрицательное влияние на прочностные характеристики материала.

Номограммы прочности керамического композита в девяти точках факторного пространства по осям X3 и X4 представлены на рис. 6.

Анализ влияющих факторов показал следующее:

• •    Основные факторы: x₁ (барит), x₂ (микрокремнезем), x₃ (температура), x₄ (время термообработки);

• •    Квадратичный эффект температуры (x₃²): отрицательный – указывает на снижение прочности при чрезмерно высоких температурах;

• •    Значимые взаимодействия: x₁x₃ и x₂x₃.

Наибольшая прочность керамического композита достигается при умеренном содержании барита

Таблица 7. План и результаты эксперимента

№	Нормализованные переменные				Натуральные переменные				Результаты эксперимента
	X1	X2	X3	X4	X1 – барит, %	Х2 – микрокремнезем, %	Х3 – температура обжига, С°	Х4 – время обжига, мин.	Y4 – объемная усадка, %	Y1 – плотность, г/см 3	Y2 – водо-поглощение, %	Y3 – прочность на сжатие (после обжига), МПа
1	+	+	+	+	30	10	900	45	35	1,59	10,95	2.25
2	+	+	+	–	30	10	900	15	28	1,45	10,16	1,75
3	+	+	–	+	30	10	800	45	34	1,6	11,28	0,57
4	+	+	–	–	30	10	800	15	37	1,67	10,46	0,51
5	+	–	+	+	30	0	900	45	31	1,53	11,98	1,37
6	+	–	+	–	30	0	900	15	36	1,67	10,54	0,39
7	+	–	–	+	30	0	800	45	33	1,62	10,50	0,62
8	+	–	–	–	10	10	900	45	37	1,53	10,46	1,22
9	–	+	+	+	10	10	900	15	35	1,55	0,85	0,43
10	–	+	+	–	10	10	800	45	36	1,46	10,38	1,0
11	–	+	–	+	10	10	800	15	41	1,6	9,66	0,37
12	–	+	–	–	10	0	900	45	37	1,65	10,00	0,39
13	–	–	+	+	10	0	900	15	35	1,59	10,52	0,72
14	–	–	+	–	10	0	900	15	34	1,57	10,50	0,50
15	–	–	–	+	10	0	800	45	35	1,61	11,54	0,82
16	–	–	–	–	10	0	800	15	38	1,71	10,62	0,78
17	+	0	0	0	30	5	850	30	26	1,44	11,42	0,87
18	–	0	0	0	10	5	850	30	33	1,46	10,53	2,25
19	0	+	0	0	20	10	850	30	44	1,56	9,22	2,26
20	0	–	0	0	20	0	850	30	35	1,35	10,80	0,25
21	0	0	+	0	20	5	900	30	25	1,26	9,87	0,256
22	0	0	–	0	20	5	800	30	39	1,49	10,20	0,37
23	0	0	0	+	20	5	850	45	38	1,45	9,90	1,75
24	0	0	0	–	30	5	850	15	34	1,45	10,12	0,50

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

Y1-плотность

x:x4»L 1.0 Уровни изолинии           x:x4-i 1.0 Уровни изолинии          x:x4=. i.o Уровни изолинии ar 1.200 b: 1.300 £-1.400 dr 1.500                   a- 1.200 b> 1.250 £=1.300 d'1.350                  ar 1.200 b= 1.250 £= 1.300 d= 1.350

e= 1.600 f= 1.700 g= 1.800 h= 1.900                   e= 1.400 f- 1.450 g- 1.500 h' 1.550                  e- 1.400 S 1.450 g- 1.500 h= 1.550

x:x4=i o.o Уровни изолинии x:x4=i o.o Уровни изолинии x:x4-. o.o Уровни изолинии a= 1.200 b= 1.250 c= 1.300 d= 1.350          a- 1.200 b= 1.250 c= 1.300 d= 1,350          a= 1.200 b= 1.250 c= 1.300 d= 1.350

e= 1.400 f= 1.450 g= 1.500 h= 1.550          e= 1.400 f= 1.450 g= 1.500 h= 1.550          e. 1.400 f-1.450 g= 1.500 h-1.550

x:x4=i-i.O Уровни изолинии x:x4=i-1.0 Уровни изолинии x:x4=.-i.o Уровни изолинии a-1.400 b= 1.450 c= 1.500 d= 1.550          a- 1.300 b= 1.350 £- 1.400 d= 1.450          a= 1.250 b= 1.300 £= 1.350 d= 1.400

• e. 1.600 f= 1.650 g. 1.700 h= 1.750          e> 1.500 f* 1.550 g. 1.600 h= 1.650          e= 1.450 f- 1.500 g= 1.550 h= 1.600

Рис. 4. Номограммы плотности керамического композита Y ₁ = f ( x ₁, x ₂) в девяти точках факторного пространства x₃ и x₄

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

Рис. 5. Номограммы водопоглощения керамического композита Y ₁ = f ( x ₁, x ₂) в девяти точках факторного пространства x₃ и x₄

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

Прочность на сжатие

a=0.200 b= 0.400 £=0.600 d= 0.800

e> 1.000 f= 1.200 g-1.400 h= 1.600

x:x4=i 1.0 Уровни изолинии

a=0.400 b= 0.600 £=0.800 d= 1.000

e> 1.200 f= 1.400 gi 1.600 h-1.800

a-0.600 b> 0.800 c> 1.000 d'1.200

e- 1.400 f. 1.600 g> 1.800 h< 2.000

a-0.200 b= 0.400 £=0.600 d=0.800

e> 1.000 f* 1.200 g- 1.400 h> 1.600

a. 0.600 b-0.800 c= 1.000 d= 1.200

e> 1.400 f- 1.600 g- 1.800 h- 2.000

a. 0.400 b> 0.600 c= 0.800 d= 1.000

e< 1.200 Ь 1.400 g> 1,600 hl 1.800

a-0.200 b. 0.400 c.0.600 d. 0.800

«■ 1.000 f= 1.200 g« 1.400 h> 1.600

a-0.600 b-0.800 £= 1.000 d> 1.200

e> 1.400 f= 1.600 g< 1.800 hi 2.000

a. 0.400 b= 0.600 £=0.800 d. 1.000

ei 1.200 f* 1,400 g> 1.600 hi 1.800

Рис. 6. Номограммы прочности керамического композита Y ₁ = f ( x ₁, x ₂) в девяти точках факторного пространства x₃ и x₄

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

Рис. 7. Номограммы усадки керамического композита в зависимости от состава и технологических факторов

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ и микрокремнезема, а также при температуре термообработки около 850 °C. Повышение температуры до 900 °C приводит к деградации структуры материала и снижению прочности, что подтверждается отрицательным значением коэффициента при x32. В то же время длительное время обжига оказывает положительное влияние на прочностные характеристики.

Рекомендованные параметры для обеспечения высокой прочности:

• •    Содержание барита: ~20–25%;

• •    Содержание микрокремнезема: ~5%;

• •    Температура обжига: ~850 °C;

• •    Время термообработки: ~30–45 минут.

На основании экспериментальных данных была получена математическая модель, описывающая объемную усадку (Lo):

• ( Y₄) = 33,98 – 1,5 х₁ – 4,43 х₁²– 2,0 х₃ +

• +    5,57 х₂² + 1,13 х₂х₄ + 0,5 х₃х₄.                   (4)

Модель признана неадекватной (Fа = 2,647 > 1), что указывает на необходимость ее доработки или проведения дополнительного эксперимента.

Построена номограмма усадки керамического композита по уравнению (3) в зависимости от состава и технологических факторов (рис. 7).

Установлено, что объемная усадка материала уменьшается при повышении содержания барита и понижении температуры обжига.

Анализ влияния факторов:

• •    Содержание барита (x₁) и его квадратичный эффект (x₁²) оказывают наибольшее влияние – при увеличении барита усадка снижается.

• •    Температура обжига (x₃) также способствует снижению объемной усадки.

• •    Микрокремнезем (x₂²), напротив, при увеличении приводит к росту усадки.

• •    Существенное влияние также оказывают взаимодействия факторов:

• –    x₂•x₄ (МКМ × время)

• –    x₃•x₄ (температура × время) – особенно при длительном времени термообработки.

Таким образом, увеличение содержания барита и температуры обжига в керамическом композите способствует снижению его объемной усадки. Напротив, высокое содержание микрокремнезема, осо-

бенно в сочетании с длительным временем термообработки, приводит к увеличению усадки.

Также установлено, что взаимодействие факторов (в частности, микрокремнезема и времени обжига) оказывает значительное влияние на объемную усадку материала.

Минимальная усадка керамического композита достигается при: Барит – >25%; Микрокремнезем (МКМ) – ≤5%; Температура обжига ≥850 °C; Время обжига ≥30 мин.

В кавитатор заливали 30 литров воды, затем добавляли 6 кг баритового тонкоизмельченного порошка (рис. 4). Устройство включали, и оно работало в течение 2 часов, после чего было отключено. По завершении процесса гидрокавитационной обработки барита баритовый порошок извлекали из воды с помощью фильтра с размером ячеек 100 мкм, изготовленного из тканого материала.

Технологические режимы гидрокавитатора и содержание баритового порошка приведены в табл. 9. Из таблицы видно, что после кавитации тонкоиз-мельченный порошок составлял 32,78%, а оставшиеся 67,22% находились в воде.

После кавитационной обработки баритовый порошок начинает связываться между частицами, что позволяет формовать полученную массу. При этом баритовая суспензия приобретает слабый запах, напоминающий сероводород. Этот эффект объясняется частичным разложением барита с выделением соединений бария и серы.

Полученный баритовый порошок после кавитации был сформован в виде кубика размером 4×4×4 см.

Физико-технические характеристики баритового порошка, отформованного в виде кубика, представлены в табл. 9.

Из табл. 10 видно, что полученный порошок обладает высокой плотностью, низкой усадкой и достаточной прочностью для обеспечения связующего эффекта.

ИК-спектр баритового порошка после кавитационной обработки свидетельствует об изменении его состава и структуры (рис. 9).

Для дальнейшего исследования был проведен рентгеноструктурный анализ барита до и после ги-дрокавитационной обработки (рис. 10 и 11).

Таблица 8. Технологические режимы и содержание баритового порошка после кавитации

№ п/п	Состав смеси		Технологические характеристики			Содержание порошка
	Вода , л	Барит, г	Время обработки, мин	Температура нагрева, о С	Давление, Па	Твердая масса в виде порошка	Прочие фракции, оставшиеся в водной среде
1	30	6000	120	35	10	4900	1100

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

Рис. 8. Образцы барита после кавитации

Таблица 9. Физико-технические характеристики баритового порошка

№ п/п	Масса кубика, г	Объем кубика, см3	Усадка после сушки, %	Плотность, кг/м3	Прочность на сжатие после сушки, кПа
1	108,45	52,20	13	2070	2.8
2	136,56	59,4	1,0	2290	2.94
3	128	57,6	4	2220	2.9

Рис. 9. ИК-спектр баритового порошка после гидрокавитационной обработки

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

Рис. 10. Дифрактограмма баритового порошка до кавитационной обработки

Рис. 11. Дифрактограмма баритового порошка после гидрокавитационной обработки

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

Сравнение дифрактограмм баритового порошка до и после обработки с использованием гидрокавита-тора показывает, что после обработки размер частиц уменьшается до нанометрового уровня, а интенсивность отражений возрастает, что свидетельствует об улучшении условий для связующего взаимодействия в керамическом композите.

В дальнейшем исследовании был определен элементный состав баритового порошка после кавитационной обработки. Результаты исследования представлены на рис. 12.

Как видно из рис. 12, результаты исследования подтверждают изменения в элементном составе баритового порошка после кавитационной обработки.

Analyzed result

SamnlHnformation

Sample name File name Application Date Analyzed by Counts Comment

2 proba

2 proba Umumiy.

2025/8/15 15:17

method

£ШШ__ cps/mA Х2000 1.0-1—и------

о

X900 До n .

0.8-

s

о

Й- 0.6-^

CO c Ф

N

0.4-

0.2-

0.0

О CO D

5^

ф

X300

о 0

э С

ON

о

co

X200

с Ф Wt-

О

та co

co

z ели

OJ

1.5 2.0 2.5 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0   6

RX9

Си

Mo

-8

20 25 30 35

Al

keV

No.	Component	Result	Unit	Stat. Err.	LLD	LLQ
1	MgO	0.367	mass%	0.0281	0.0736	0.221
2	A12O3	1.03	mass%	0.0146	0.0229	0.0687
3	SiO2	8.09	mass%	0.0207	0.0104	0.0311
4	SO3	29.2	mass%	0.0190	0.0189	0.0568
5	CaO	1.01	mass%	0.0093	0.0105	0.0314
6	Sc2O3	0.0712	mass%	0.0058	0.0165	0.0494
7	ТЮ2	0.560	mass%	0.0333	0.0990	0.297
8	V2O5	0.809	mass%	0.0157	0,0448	0.134
9	MnO	0.296	mass%	0.0072	0.0192	0.0576
10	Fe2O3	0.349	mass%	0.0058	0.0140	0.0420
И	CuO	0.0232	mass%	0.0007	0.0008	0.0025
12	ZnO	0.0743	mass%	0.0010	0.0006	0.0019
13	SrO	1.00	mass%	0.0020	0.0025	0.0074
14	ZrO2	1.91	mass%	0.0047	0.0025	0.0075
15	SnO2	0.0519	mass%	0.0012	0.0020	0.0059
16	TeO2	0.0312	mass%	0.0013	0.0030	0.0089
17	BaO	52.2	mass%	0.442	0.0739	0.222
18	Nd2O3	1.19	mass%	0.0571	0.156	0.469
19	Sm2O3	0.290	mass%	0.0084	0.0100	0.0299
20	Eu2O3	1.38	mass%	0,0175	0.0343	0.103

Рис. 12. Элементный анализ баритового порошка после гидрокавитационной обработки

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Рис. 13. Разрушение керамического композита при содержании баритового порошка 50%

порошка более 20% начинается разрушение структуры композита (табл. 11 и рис. 14). Образцы керамического композита представлены на рис. 15 и 16.

Барий (Ba) составляет 52,2%, оксид серы (SO3) – 29,2%, третье по содержанию место занимает оксид кремния (SiO2) – 8,09%. Остальные компоненты присутствуют в малых количествах.

Далее на основе баритового порошка после кавитационной обработки и бентонита были получены керамические композиты (табл. 10).

Установлено, что при увеличении содержания баритового порошка более 20% в составе керамического композита происходит его разрушение вследствие бурных химических реакций (рис. 13).

Это связано с повышением температуры во время обжига, что, в свою очередь, обусловлено разложением оксида серы, входящего в состав баритового порошка.

Полученный керамический композит, изготовленный методом полусухого прессования, подтверждает, что при увеличении содержания баритового

– Исследован химический состав основных сырьевых компонентов, используемых для получения керамических композитов: барита (месторождение Арсы), микрокремнезема и бентонитовой глины (Абширское месторождение).

– Оптимизация состава и свойств керамического композита на основе экспериментально-статистических моделей подтвердила целесообразность

Рис. 14. Разрушение керамического композита, полученного методом полусухого прессования

Таблица 10. Керамический композит на основе бентонита и баритового порошка после кавитационной обработки

№ п/п	Состав смеси, %		Технологические характеристики		Физико-технические характеристики
	Бентонит	Барит	Температура обжига	Время термообработки, мин	Плотность после обжига, г/см3	Прочность на сжатие, кПа
1	90	10	800	30	1,43	21,574
2	80	20	800	30	1,70	11,767
3	50	50	800	30	разрушены	разрушены

Таблица 11. Керамический композит, полученный методом полусухого прессования

№ п/п	Состав смеси, %			Технологические характеристики			Физико-технические характеристики
	Бентонит	Барит	Волластонит	Давление прессование, МПа	Температура обжига, оС	Время обжига, мин	Плотность после обжига, г/см3	Прочность на сжатие, М Па
1	80	10	10	0,75	800	30	2100	80,62
2	60	20	20	0,75	800	30	2300	114,37 (разрушены)
3	5	30	20	0,75	800	30	2380	53,75 (разрушены)

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

Рис. 15. Керамический композит: бентонит – 90%, баритовый порошок после кавитационной обработки – 10 % (температура обжига – 800 ^оС, время обжига – 30 мин)

Рис. 16. Керамический композит: бентонит – 80%, баритовый порошок после кавитационной обработки – 20 % (температура обжига – 800 ^оС, время обжига – 30 мин)

использования барита в количестве 20–30% и микрокремнезема – до 10% при температуре обжига 850–900 °C и продолжительности термообработки 30–45 минут. Указанный состав и технологический режим обеспечивает получение композита с высокими показателями прочности и водостойкости.

Баритовый порошок был переработан с использованием гидрокавитатора, после чего исследованы его физико-технические свойства. Также были получены и проанализированы физико-технические характеристики керамических компози-

тов на основе бентонита и барита, прошедшего кавитационную обработку.

– Установлено, что при содержании более 20% кавитированного баритового порошка и температуре обжига выше 900 °C материал проявляет высокую химическую активность, что приводит к разрушению структуры и взрывной реакции.

В связи с этим для получения устойчивого керамического композита рекомендуется использовать не более 20% баритового порошка и около 80% бентонита при температуре обжига до 850 °C и продолжительности термообработки 30 минут.