Применение технической керамики.

Огнеупоры Хорошая термостойкость и низкая плотность технической керамики определяют ее широкое применение в термической обработке материалов. Особенно важно сопротивление газовой эрозии, а также то обстоятельство, что в керамических композитах не используют асбест, практически запрещенный в развитых странах вследствие опасности здоровья персонала. Кроме того, керамические композиты имеют более высокую теплопроводность и плотность по сравнению с огнеупорными кирпичами, обеспечивают значительно меньшее накопление тепла, более быстрое охлаждение, и, следовательно, экономию в топливе и времени производства.

Керамические волокна и ткани для химической и металлургической промышленности Гибкие керамические текстильные ткани имеют очень высокую прочность и термически стабильны до 1400^оС. Материалы из чистого оксида алюминия применяют для изготовления лент, труб, листов. Другой вид керамических волокон и композитов с керамическими матрицами на основе карбида кремния можно получить из полимерных предшественников, включающих полисилизан. поликарбосилан и полисилам, получая протяженные волокна высокой прочности, гибкости и термостабильности. Эти полимеры требуют сложного синтеза, и стехиометрию получаемой керамики трудно проконтролировать.

Керамические искусственные решетки Керамические искусственные решетки были разработаны в виде регулярных слоев структуры нитрида молибдена и нитрида титана, приготовленных напылением в вакууме. Но по сравнению с металлическими и полупроводниковыми искусственными решетками разработка искусственных керамических решеток находятся на начальной стадии и их применение недостаточно ясно. Однако кажется возможным использование нового материала для исследования сверхпроводников, для магнитной записи и высокочастотных рентгеновских зеркал.

Керамический изолирующий клей Клей, содержащий ультрадисперсный порошок оксида алюминия, применяется для изоляции металлических проводов при температурах выше 300^оС.Этот клей выдерживает температуру до 1000^оС.

Керамика стойкая к термоударам Разработана керамика, содержащая оксид алюминия и графит и показавшая высокое сопротивление термоудару и прочность, возможность изготовления сложных форм, хороший допуск по размерам, легко обрабатываемую поверхность.

Теплозащита космических аппаратов Керамические композиты на основе карбида кремния были разработаны как прочие термостойкие материалы для космических и летательных аппаратов. Такая керамика может быть также использован и для огнеупоров в металлургических печах как изоляция двигателей и в других случаях.

Огнестойкие прокладки Необходимость исключить асбестсодержащие материалы, канцерогенные свойства которых доказаны, привела к использованию полученных из оксида алюминия высокочистых огнеупорных волокон с температурой плавления до 2200⁰С. Их можно резать обычными ножницами и формировать в сложные формы. Такие волокна применяют для высокотемпературных прокладок, камер сгорания, печей и высокочастотных установок.

6.Стекла и ситаллы Неорганические стекла.

Достоинствами неорганических стекол являются: широкий диапазон свойств, достигаемый за счет изменения химического состава, невысокая плотность, широкая и доступная сырьевая база, высокие декоративные свойства, негорючесть, высокая коррозионная стойкость, высокая теплостойкость. Основным недостатком большинства стекол является хрупкость, т.е. слабая сопротивляемость динамическим нагрузкам.

Н

Рис.6.1. Расположение SiO₄–тетраэдров в кварце (1), неупорядоченном кварцевом стекле (2), натриевом силикатном стекле (3).

еорганическое стекло следует рассматривать как особого вида затвердевший раствор — сложный расплав высокой вязкости кислотных и основных оксидов. Стеклообразное состояние является разновидностью аморфного состояния вещества. При переходе стекла из расплавленного жидкого состояния в твердое аморфное в процессе быстрого охлаждения и нарастания вязкости беспорядочная структура, свойственная жидкому состоянию, как бы “замораживается”. В связи с этим неорганические стекла характеризуются неупорядоченностью и неоднородностью внутреннего строения.

Стеклообразующий каркас стекла представляет собой неправильную пространственную сетку, образованную кремнекислородными тетраэдрами [SiO]^4- (см. рис.6.1). Структура кварцевого стекла характеризуется максимальной плотностью упаковки (2), уступая только плотности упаковки кристаллического кварца (1). При частичном изоморфном замещении кремния в тетраэдрах, например на алюминий или бор, образуется структурная сетка алюмосиликатного [Si_xA1O₄]^2- или боросиликатного [Si_xBO₄]^2- стекла. Ионы щелочных (Na, К) и щелочноземельных (Са, Mg, Ba) металлов называются модификаторами; в структурной сетке стекла они располагаются в промежутках тетраэдрических группировок (3). Введение Na₂O или других модификаторов разрывает прочные связи Si—О—Si и снижает прочность, термо- и химическую стойкость стекла, одновременно облегчая технологию его производства. Большинство стекол имеет рыхлую структуру с внутренней неоднородностью и поверхностными дефектами.

В состав неорганических стекол входят стеклообразующие оксиды кремния, бора, фосфора, германия, мышьяка, образующие структурную сетку и модифицирующие оксиды натрия, калия, лития, кальция, магния, бария, изменяющие физико-химические свойства стекломассы. Кроме того, в состав стекла вводят оксиды алюминия, железа, свинца, титана, бериллия и др., которые самостоятельно не образуют структурный каркас, но могут частично замещать стеклообразующие оксиды и этим сообщать стеклу нужные технические характеристики. В связи с этим промышленные стекла являются сложными многокомпонентными системами.

Стекла классифицируют по ряду признаков: по стеклообразующему веществу, по содержанию модификаторов и по назначению.

В

Рис.6.2. Зависимость свойств стекла от температуры:

 — вязкость: Е — удельный объем и теплосодержание, dE/dt — теплоемкость и температурный коэффициент линейного расширения; t_c — температура стеклования; t_р — температура размягчения

зависимости от химической природы стеклообразующего вещества стекла подразделяют на силикатные (SiO₂), алюмосиликатные (Аl₂О₃—SiO₂), боросиликатные (B₂O₃—SiO₂), алюмоборосиликатные (Al₂O₃—B₂O₃—SiO₂), алюмофосфатные (Al₂O₃—Р₂O₅) и др. По содержанию модификаторов стекла бывают щелочными (содержащими оксиды Na₂O, K₂O), бесщелочными и кварцевыми. По назначению все стекла подразделяют на технические (оптические, светотехнические, электротехнические, химико-лабораторные, приборные, трубные); строительные (оконные, витринные, армированные, стеклоблоки) и бытовые (стеклотара, посудные, бытовые зеркала и т. п.).

Технические стекла в большинстве относятся к алюмоборосиликатной группе и отличаются разнообразием входящих оксидов. Стекла выпускаются промышленностью в виде готовых изделий, заготовок или отдельных деталей.

Общие свойства стекла. При нагреве стекло плавится в некотором температурном интервале, который зависит от состава. На рисунке 6.2 показана температура стеклования t_c (динамическая вязкость  = 10¹² Па·с), ниже которой стекло приобретает хрупкость. Для промышленных силикатных стекол температура стеклования t_c = 425 — 600 °С, температура размягчения t_p лежит в пределах 600—800 °С ( = 10⁸ Па·с). В интервале температур между t_c, и t_p стекла находятся в высоковязком пластическом состоянии. При температуре выше t_p (1000—1100°С) проводятся все технологические процессы переработки стекломассы в изделия. Стекла, как и всех аморфные тела, изотропны. Плотность стекла колеблется от 2200 до 6500 кг/м³ (для стекла с оксидами свинца или бария она может достигать 8000 кг/м³).

Механические свойства стекла характеризуются высоким сопротивлением сжатию (500—2000 МПа), низким пределом прочности при растяжении (30—90 МПа) и изгибе (50—150 МПа). Модуль упругости высокий (45—100 МПа), коэффициент Пуассона  = 0,184 — 0,26. Твердость стекла, как и других неорганических материалов, часто определяется приближенным методом царапанья по минералогической шкале Мооса и равна 5—7 единицам. Ударная вязкость стекла низкая (1,5—2,5 кДж/м²), оно хрупкое. Более высокие механические характеристики имеют стекла бесщелочного состава и кварцевые.

Важнейшими специфическими свойствами стекол являются их оптические свойства: светопрозрачность, отражение, рассеяние, поглощение и преломление света. Обычное неокрашенное листовое стекло пропускает до 90 %, отражает примерно 8 % и поглощает около 1 % видимого и частично инфракрасного света; ультрафиолетовое излучение поглощается почти полностью. Кварцевое стекло является прозрачным для ультрафиолетового излучения. Коэффициент преломления стекол составляет 1,47—1,96, коэффициент рассеяния (дисперсии) находится в интервале 20—71. Стекло с большим содержанием РbО поглощает рентгеновское излучение.

Коэффициент линейного расширения (_l) стекла составляет от 5,6·10^-7 K^-1 (кварцевое) до 90·10^-7 K^-1 (строительное), коэффициент теплопроводности  0,7÷15Вт/(м·К). Для большинства видов стекол термостойкость колеблется от 90 до 170 °С, а для кварцевого стекла она составляет 800—1000 °С. Химическая стойкость стекол зависит от образующих их компонентов: оксиды SiO₂, ZrO₂, TiO₂, В₂O₅, Al₂O₃, CaO, MgO, ZnO обеспечивают высокую химическую стойкость, а оксиды Li₂O, Na₂O, K₂O, BaO и РЬО, наоборот, способствуют химической коррозии стекла. Механическая прочность и термостойкость стекла могут быть повышены путем закалки и термического упрочнения.

Закалка заключается в нагреве стекла до температуры выше t_c, и последующем быстром и равномерном охлаждении в потоке воздуха или в масле. При этом сопротивление статическим нагрузкам увеличивается в 3—6 раз, ударная вязкость в 5—7 раз. При закалке повышается также термостойкость стекла.

Термохимическое упрочнение основано на глубоком изменении структуры стекла и свойств его поверхности. Стекло подвергается закалке в подогретых кремнийорганических жидкостях, в результате чего на поверхности материала образуются полимерные пленки; этим создается дополнительное, по сравнению с результатом обычной закалки, упрочнение. Повышение прочности и термостойкости можно получить травлением закаленного стекла плавиковой кислотой, в результате чего удаляются поверхностные дефекты, снижающие его качество.

Силикатные триплексы представляют собой два листа закаленного стекла (толщиной 2—3 мм), склеенные прозрачной эластичной полимерной пленкой. При разрушении триплекса образовавшиеся неострые осколки удерживаются на полимерной пленке. Триплексы бывают плоскими и гнутыми.

Термопан — трехслойное стекло, состоящее из двух стекол и воздушного промежутка между ними. Эта воздушная прослойка обеспечивает теплоизоляцию.

Применение технических стекол. Для остекления транспортных средств используют преимущественно триплексы, термопан и закаленные стекла.

Оптические стекла, применяемые в оптических приборах и инструментах, подразделяют на кроны, отличающиеся малым преломлением, и флинты — с высоким содержанием оксида свинца и большими значениями коэффициента преломления. Тяжелые флинты не пропускают рентгеновское и -излучение. Светорассеивающие стекла содержат в своем составе фтор.

Кварцевое стекло вследствие высокой термической и химической стойкости применяют для изготовления тиглей, чаш, труб, наконечников, лабораторной посуды. Близкое по свойствам к кварцевому стеклу, но более технологичное кварцоидное (кремнеземное) стекло используют для электроколб, форм для точного литья и т. д. Электропроводящие (полупроводниковые) стекла: халькогенидные и оксидные ванадиевые, находят широкое применение в качестве термисторов, фотосопротивлений.