I. Общие методические рекомендации

Достижения в области химической технологии керамических, силикатных и тугоплавких неметаллических материалов оказывают существенное влияние на ускорение научно-технического прогресса в различных областях науки и производства.

Современная технология силикатных и тугоплавких неметаллических материалов охватывает весьма широкий круг производств и технологических процессов. Она включает в себя химическую технологию стекла и ситаллов; химическую технологию керамики и огнеупоров; химическую технологию вяжущих материалов; химическую технологию тугоплавких неметаллических материалов.

Несмотря на определенные различия в научных основах указанных технологий, имеется целый ряд принципиальных и важных для них общих элементов, которые отражены в программе как ее теоретическая часть. К их числу следует отнести: совокупность научных данных о фазовых равновесиях; учение о химических реакциях и других процессах в подобных системах (полиморфные превращения, спекание, рекристаллизация и др.); теоретические основы ряда физико-механических процессов, рассматриваемых на базе соответствующих разделов физики и химии твердого тела, физической механики и коллоидной химии сплошных сред и др. К числу общих вопросов, важных для всех типов тугоплавких неметаллических материалов, относится также понимание их свойств и зависимости этих свойств со строением материалов на различных уровнях (макроструктура и пористое строение, микроструктура, строение и дефекты кристаллической решетки и т.д.). Наконец, к числу общих научно-технических вопросов, важных для квалификации исследователя, работающего в области технологии силикатных и тугоплавких неметаллических материалов, следует отнести сведения о современных методах исследования процессов и строения материалов.

Все перечисленные вопросы, важные для оценки квалификации научных кадров по специализации 05.17.11, включены в основную программу кандидатского минимума.

В программу также включены основные технологические сведения по отдельным группам производств: стекло и ситаллы; керамика и огнеупоры; вяжущие материалы и изделия из них. Эти группы выбраны не только исходя из объема и народнохозяйственного значения соответствующих производств. В качестве важнейшего критерия при выборе учитывалось и наличие технологических отличий, присущих каждой выделяемой группе или, другими словами, ее специфическое особое место в довольно широком спектере технологий. Таким образом, научный работник, претендующий на присуждение ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.17.11 и работающий в любой области по данной специальности, должен обладать достаточным уровнем знаний, выражающимся в четком представлении основ технологии ряда характерных групп производств.

Рассмотрение ряда специфических процессов технологии (например, методы расчета режимов термообработки изделий из стекла; регулирование свойств водных шликеров для литья керамики; управление твердофазовыми процессами при обжиге портландцементного клинкера и т.д.) должно предусматриваться дополнительными программами с учетом направления научной деятельности и темы диссертационной работы соискателя.

II Содержание программы

1. Физико-химия твердого состояния

1.1. Химические связи в твердых телах

• Межатомные связи. Типы химических связей в твердых телах: ионная, ковалентная, металлическая, водородная. Энергия химических связей.
• Межмолекулярные взаимодействия. Химические связи в силикатах.

1.2. Теоретические основы свойств твердых тел

• Теоретическая и реальная прочность хрупких материалов. Хрупкое разрушение материалов. Скорость образования и рост микротрещин. Теории прочности. Теория Гриффитса, статистические представления о прочности. Влияние на прочность различных физико-химических факторов: среды, температуры, поверхностно-активных добавок. Влияние микроструктуры. Особености разрушения многофазовых материалов. Роль внутренних макро- и микронапряжений.
• Способы упрочнения материалов. Влияние длительных статистических и динамических нагрузок на прочность материалов. Различные виды прочности: при изгибе, сжатии, растяжении; работа разрушения; микротвердость. Методы определения механических свойств материалов и их особенности.
• Упругие свойства материалов. Закон Гука. Модуль упругости. Модуль сдвига, коэффициент Пуассона. Влияние химического, фазового состава и структуры. Упругое последействие. Внутреннее трение и механические потери. Процессы механической релаксации в материалах. Методы определения упругих свойств материалов.
• Термическое расширение материалов, его природа, коэффициент теплового расширения, его зависимость от химического и фазового состава материалов. Влияние полиморфных превращений. Особенности кривой расширения стекол.
• Теплоемкость и теплопроводность материалов, их зависимость от химического, фазового состава, структуры, архитектуры пор. Влияние температуры.
• Термостойкость материалов. Факторы, определяющие термостойкость.

2. Теоретические основы технологии керамиЧеских, силикатных и тугоплавких неметаллиЧеских материалов

2.1. Физико-химические основы технологии

• Общие понятия о принципах геометрического построения диаграмм состояния многокомпонентных систем и частных разрезов в них. Диаграммы состояния важнейших систем, характеристика кристаллических фаз, имеющих важное практическое значение.
• Проектирование фазового состава материалов с помощью диаграмм состояния, установление режимов синтеза и термообработки. Стабильные и метастабильные состояния.

2.2. Реакции веществ в твердом состоянии.

• Виды и механизм диффузии при твердофазовых реакциях. Кинетика твердофазовых реакций и факторы, влияющие на их скорость. Особенности твердофазовых реакций в твердом состоянии. Эффект А.Хедвалла, перспективы его использования для ускорения твердофазовых реакций. Радиационно-термическая активация твердофазовых реакций. Термодинамическая характеристика реакций в твердом состоянии. Условия достижения равновесий при реакциях в смесях твердых веществ.
• Реакции в системе Т-Ж. Влияние состава и свойств жидкой фазы на скорость реакции. Роль газовой среды в процессах обжига и ее влияние на свойства конечного продукта.

3. Строение тугоплавких неметаллических и силикатных материалов

3.1. Строение веществ в кристаллическом состоянии

• Кристаллические вещества и особенности их строения. Периодичность расположения частиц, дальний порядок. Анизотропия строения.
• Ионные радиусы и координационные числа.
• Дефекты кристаллической решетки в ионных кристаллах. Точечные дефекты. Дислокации, их основные типы. Термодинамика образования дефектов.
• Особенности структуры силикатов. Химические и структурные формулы. Структурная классификация силикатов. Кристаллохимия силикатов.
• Твердые растворы, их типы. Неограниченная и ограниченная растворимость в твердом состоянии. Явления изоморфизма в кристаллических силикатах.

3.2. Строение веществ в расплавленном состоянии и  кристаллизация расплавов

• Строение силикатных расплавов. Степень ассоциации структурных элементов в силикатных расплавах и факторы, влияющие на нее. Вязкость и поверхностное натяжение силикатных расплавов и связь с их строением. Зависимость вязкости и поверхностного натяжения от температуры и состава силикатных расплавов. Процессы затвердевания и кристаллизации.
• Гомогенное и гетерогенное образование центров кристаллизации. Критический размер зародышей новой фазы. Зависимость числа образующихся центров кристаллизации и линейной скорости роста кристаллов от степени переохлаждения расплавов. Кинетика процессов зародышеобразования и роста кристаллов. Катализаторы кристаллизации, механизм их действия.
• Склонность расплавов силикатов к переохлаждению. Процесс стеклообразования. Температурный интервал и температура стеклования. Кристаллохимические условия стеклообразования. Кинетические условия стеклообразования. Представления Таммана о соотношениях скорости образования центров кристаллизации и скорости роста кристаллов.

3.3. Строение веществ в стеклообразном состоянии

• Стеклообразные вещества и их строение. Определение понятия стеклообразного состояния. Современные представления о строении стекол силикатных, боратных, фосфатных.
• Степень связности структуры стекол. Роль катионов в структуре стекла (стеклообразователи, модификаторы). Критерии стеклообразования.
• Координационное состояние ионов в стекле. Условия изменения координационного состояния катионов.
• Явления ликвации в стеклах. Термодинамические основы процессов ликвации. Типы ликвации и формы ее проявления. Стабильная и метастабильная ликвация.

3.4. Методы изучения структуры и фазового состава материалов

• Микроскопические методы. Оптическая и электронная микроскопия. Просвечивающееся и растровая ЭМ. Метод реплик.
• Спектральные методы. Колебательная спектроскопия ¾ ИК- и КР-спектры. Информативность методов.
• Дифракционные методы. Рентгенография и рентгенофазовый анализ. Расшифровка рентгенограмм. Электроннография.
• Эмиссионные методы. Рентгеновские эмиссиооные спектры. Микрорентгеноспектральный анализ. Спектроскопия электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). Ядерный гамма-резонанс (мессбауэровская спектроскопия). Ядерный магнитный резонанс.
• Термические методы. Дифференциальный термический анализ. Термогравиметрия. Дилатометрия.

4. Основы технологических процессов

4.1. Физико-химические основы приготовления сырьевых смесей

• Приготовление сырьевых смесей в сухом виде. Основы теории измельчения. Законы измельчения: Ритингера, Кирпичева-Кика, Бонда. Кинетика процесса. Виды и способы дробления и помола. Показатели, характеризующие энергетическую эффективность процесса измельчения.
• Процессы смешения дисперсных материалов. Методы оценки качества смешения.
• Приготовление шликеров (шламов). Явления сольвации и адсорбции при взаимодействии глинистых частиц с водой. Мицелла-ассоциат в равновесной дисперсной среде как основа строения сырьевых шламов и шликеров (суспензий). Свойства сырьевых суспензий: состав, устойчивость, текучесть, загустеваемость, скорость фильтрации и т.д. Регулирование свойств суспензий, снижение вязкости структурированных систем без разбавления их дисперсной средой: физико-механическое и физико-химическое воздействие поверхностно-активных веществ на структуру шламов. Основы обезвоживания шламов (шликеров): механическое, термическое. Способы их интенсификации.

4.2. Процессы спекания и плавления

• Сущность, признаки и движущая сила процесса спекания. Виды спекания. Механизм твердофазового взаимодействия, спекания с участием жидкой фазы, другие виды спекания. Градиент концентрации вакансий в твердом пористом теле и его влияние на твердофазовое спекание. Процесс каолесценции пор. Кинетика процесса спекания. Факторы, влияющие на скорость спекания и значение этого процесса для технологии силикатных материалов.
• Влияние химического состава на температуру образования расплава и его свойства. Роль плавней и эвтектик.

5. Основы технологии важнейших групп материалов и изделий

5.1. Основы технологии стеклоизделий

• Способы формования стекла. Факторы, определяющие процесс формования. Механические и термические явления при формовании. Отжиг стекла и расчеты режимов отжига. Закалка стекла.
• Основные принципы формования листового стекла. Преимущества и недостатки различных способов. Получение полированного стекла, принцип формования листового стекла флоат-способом.
• Основы технологии тарных и сортовых стекол. Механическая и химическая обработка.
• Технология технических стекол: кварцевого, электровакуумного, светотехнического, оптического.
• Технология стеклянного волокна и волоконно-оптических элементов.
• Технология стекол золь-гель методом.
• Эмали и эмалевые покрытия.
• Технология ситаллов. Проектирование составов ситаллов. Катализаторы кристаллизации в различных системах и механизм их действия. Режимы термообработки. Основные группы ситаллов и их свойства. Шлакоситаллы.

5.2. Основы технологии керамических изделий

• Основы технологии подготовки грубозернистых керамических масс в производстве стеновых материалов и химически стойкой керамики. Способы формования изделий из грубозернистых масс. Их достоинства и недостатки. Процессы сушки и обжига изделий.
• Основы технологии изделий тонкой керамики. Особенности подготовки пластических материалов, отощающих и флюсующих добавок в производстве фарфора и фаянса. Методы обезвоживания керамических суспензий. Способы формования изделий. Теоретические основы прессования керамических порошков.
• Пластическое формование, литье изделий тонкой керамики. Особенности сушки и обжига фарфора и фаянса.
• Глазури. Типы глазурей, их свойства. Основные критерии подбора глазурей к керамическому черепку.
• Основы технологии технической керамики. Классификация, основные свойства и области применения.
• Техническая керамика на основе высокоогнеупорных оксидов, силикатов и алюмосиликатов, некислородных соединений. Особенности строения и технологии.
• Основы технологии огнеупорных материалов. Классификация огнеупоров по химико-минералогическому составу, основные свойства и области применения. Проектирование составов огнеупорных материалов с заданнми свойствами и фазовым составом.
• Кремнеземистые огнеупоры. Магнийсодержащие огнеупоры. Разновидности по химико-минералогическому составу. Основные сырьевые материалы, особенности технологического процесса производства периклазовых и шпинелидных огнеупоров.
• Огнеупоры высшей огнеупорности (углеродсодержащие, цирконийсодержащие и др.). Особенности их структуры, фазового состава и технологии. Плавленные огнеупоры.

5.3. Основы технологии вяжущих веществ

• Физико-химические процессы при термообработке сырьевых материалов в производстве вяжущих веществ. Сушка материалов. Обезвоживание двуводного сульфата кальция при получении гипсовых вяжущих. Процессы сушки и декарбонизации в технологии извести по сухому и мокрому способу производства. Синтез минералов портландцементного клинкера, проектирование его минералогического состава. Процессы дробления и помола вяжущих веществ. Характеристика научно-технических проблем энергосбережения в технологии строительного гипса, извести и цемента.
• Гидратация вяжущих веществ. Продукты гидратации. Механизм и кинетика гидратации клинкерных минералов.
• Формирование структуры и твердение цементного камня. Процесс схватывания цемента. Структура и прочность цементного камня.
• Коррозия цементного камня.
• Специальные цементы: состав, свойства, области применения.
• Автоклавные материалы. Физико-химические основы образования низкоосновных и высокоосновных гидросиликатов кальция в силикатном кирпиче и ячеистом бетоне в процессе их гидротермальной обработки.
• Основные направления научно-технического прогресса в технологии вяжущих веществ и материалов на их основе.

Литература

1. Химическая технология стекла и ситаллов. / Под ред. Н.М.Па-влушкина. - М.: Стройиздат, 1983. - 430 с.
2. Павлушкин Н.М. Основы технологии ситаллов. - М.: Стройиздат, 1979. - 228 с.
3. Бобкова Н.М. Физическая химия тугоплавких неметаллических и силикатных материалов. - Мн.: Вышэйшая школа, 1984. - 256 с.
4. Бобкова Н.М. Физико-химия твердого состояния силикатных и тугоплавких неметаллических материалов. - Мн.: Изд. БГТУ, 1996. - 127 с
5. Вилков Л.В., Пентин Ю.А. Физические методы исследования в химии: В 2 Т. - М.: Высшая школа, 1987. - Т.1. - 367 с.; 1989. - Т.2. - 288 с.
6. Химическая технология керамики и огнеупоров / Н.П.Будни-ков, В.Л.Балкевич, А.С.Бережной и др. - М.: Стройиздат, 1972. - 551 с.
7. Балкевич В.Л. Техническая керамика. - М.: Стройиздат, 1968.
8. Кингери У.Д. Введение в керамику / Пер. с англ. - М.: Стройиздат, 1967. - 500 с.
9. Бутт Ю.М., Сычев М.М., Тимашев В.В. Химическая технология вяжущих материалов. - М.: Высшая школа, 1980. - 472 с.
10. Пащенко А.А., Сербин В.П., Старчевская Е.А. Вяжущие материалы, 2-е изд. - К.: Вища шк., 1985. - 440 с.
11. Кузнецова Т.В., Кудряшов И.В., Тимашев В.В. Физическая химия вяжущих материалов. - М.: Высшая школа, 1989. - 384 с.
12. Будников П.П., Гинстлинг А.М. Реакции в смесях твердых веществ. - М.: Стройиздат, 1971.

Дополнительная литература

1. Аппен А.А. Химия стекла. - Л.: Химия, 1974. - 350 с.
2. Стрнад К. Стеклокристаллические материалы. - М.: Стройиздат, 1988. - 250 с.
3. Бобкова Н.М. Фiзiчная хiмiя тугаплаукiх неметалiчных i сiлiкатных матэрыялау. Мн.: Изд. БГТУ, 1998.
4. Саркисов П.Д. Направленная кристаллизация стекла - основа получения многофункциональных стеклокристаллических материалов. М., 1997. - 218 с.
5. Солинов Ф.Г. Производство листового стекла. - М.- 1976.
6. Роусон Г. Неорганические стеклообразующие системы. - М.: Мир, 1970.
7. Бартенев Г.М. Механические свойства и тепловая обработка стекла. М. - 1969.
8. Ходаковская Р.Я. Химия титансодержащих стекол и ситаллов. М. - 1978.
9. Вест А. Химия твердого тела: В 2 Т. - М.: Мир, 1988. - Т.1 и Т.2. - 558 с.
10. Бобкова Н.М. Бесщелочные ситаллы и стеклокристаллические материалы. Мн.: Наука и техника, 1992. - 278 с.
11. Есин О.А., Гельд П.В. Физическая химия пирометаллургических процессов. - Свердловск. Ч.1, 1962. - 671 с.; Ч.2, 1966 - 703 с.
12. Стрелов К.К. Структура и свойства огнеупоров. М.: Металлургия, 1972.
13. Технология фарфорового и фаянсового производства. / Под ред. Булавина И.А. - М.: Легкая индустрия, 1975.
14. Гегузин Я.Е. Физика спекания. М.: Наука, 1967.
15. Ходаков Р.С. Физика измельчения. - М.: Наука, 1972.
16. Керамические материалы / Г.Н.Масленникова, Р.А.Мамаладзе, С.Мидзута, К.Коумото. - М.: Стройиздат, 1991. - 315 с.
17. Ивенсен В.А.. Феноменология спекания. - М.: Металлургия, 1985. - 247 с.
18. Стрелов К.К., Кащеев И.Д. Теоретические основы технологии огнеупорных материалов. - М.: Металлургия, 1996.
19. Горлов Ю.П. Технология теплоизоляционных и акустических материалов и изделий. - М.: Высшая школа, 1989.
20. Балкевич В.Л. Техническая керамика. - М.: Стройиздат, 1984.
21. Теория цемента / Под ред. А.А.Пащенко. - К.: Будiвельник, 1991. - 168 с.
22. Классен В.К. Обжиг цементного клинкера. - Красноярск: Стройиздат, 1994. - 323 с.
23. Осокин А.П., Кривобородов Ю.Р., Поранова Е.Н. Модифицированный портландцемент. - М.: Стройиздат, 1993. - 328 с.
24. Либау Ф. Структурная химия силикатов. - М.: Мир, 1988. - 412с.
25. Фельц А. Аморфные и стеклообразные неорганические твердые тела. - М.: Мир, 1986. - 558 с.
26. Кузнецова Т.В. Специальные цементы. - С.-Петербург: Стройиздат, 1997. - 314 с.
27. Сычев М.М. Неорганические клеи. - М.: Химия, 1986. - 250 с.
28. Корнеев В.И., Данилов В.В. Жидкое и растворимое стекло. - С.-Петербург: Стройиздат, 1996. - 216 с.
29. Абрамсон И.Г. Радиационно-техническая активация твердофазных реакций // Цемент и его применение. - 1999. - № 5/6. - С.58-59.