Тема. Композиционные материалы с неметаллической матрицей.

 

План.

Общие сведения, состав и классификация.

Карбоволокниты.

Карбоволокниты с углеродной матрицей.

Бороволокниты.

Органоволокниты.

Композиционные материалы состоят из:

матрицы, которая связывает композицию, придавая ей форму; – упрочнителя.

Композиционные материалы с неметаллической матрицей нашли широкое применение. В качестве неметаллических матриц используют полимерные, углеродные и керамические материалы. Из полимерных матриц наибольшее распространение получили: эпоксидная, фенолоформальдегидная и полиимидная.

Углеродные матрицы коксованные или пироуглеродные получают из син-тетических полимеров, подвергнутых пиролизу. Матрица связывает композицию, придавая ей форму.

Упрочнителями служат волокна: стеклянные, углеродные, борные, органические, на основе нитевидных кристаллов (оксидов, карбидов, боридок, нитридов и др.), а также металлические (проволоки), обладающее высокой прочностью и жесткостью.

Свойства композиционных материалов зависят от состава ком­понентов, их сочетания, количественного соотношения и прочности связи между ними. Армирующие материалы могут быть в виде волокон, жгутов, нитей, лент, многослойных тканей.

Содержание упрочнителя в ориентированных материалах составляет 60-80 об. %, в неориентированных (с дискретными волокнами и нитевидными кристаллами)-20—30 об. %. Чем выше прочность и модуль упругости волокон, тем выше прочность и жесткость композиционного материала. Свойства матрицы определяют прочность композиции при сдвиге и сжатии и сопротивление усталостному разрушению.

По виду упрочнителя композиционные материалы классифицируют на стекловолокниты (они рассмотрены ранее), карбоволокниты с углеродными волокнами, бороволокниты и органоволокниты.

В слоистых материалах волокна, нити, ленты, пропитанные связующий, укладываются параллельно друг другу в плоскости укладки. Плоскостные слои собираются в пластины. Свойства получаются анизотропными. Для работы материала в изделии важно учитывать направление действующих нагрузок. Можно создавать материалы как с изотропными, так и с анизотропными свойствами. Можно укладывать волокна под разными углами, варьируя свойства композиционных материалов. От порядка укладки слоев по толщине пакета зависят изгибные и крутильные жесткости материала.

. Применяется укладка упрочнителей из трех, четырех и более нитей. Наибольшее применение имеет структура из трех взаимно перпендикулярных нитей. Упрочнители могут располагаться в осевом, радиальном и окружном направлениях.

Трехмерные материалы могут быть любой толщины в виде блоков, цилиндров. Объемные ткани увеличивают прочность на отрыв и сопротивление сдвигу по сравнению со слоистыми. Система из четырех нитей строится путем расположения упрочнителя по диагоналям куба. Структура из четырех нитей равновесна, имеет повышенную жесткость при сдвиге в главных плоскостях. Однако создание четырехнаправленных материалов сложнее, чем трехнаправленных.

2. КАРБОВОЛОКНИТЫ

Карбоволокниты (углепласты) представляют собой композиции, состоящие из полимерного связующего (матрицы) и упрочнителей в виде углеродных волокон (карбовол окон).

Высокая энергия связи С—С углеродных волокон позволяет им сохранять прочность при очень высоких температурах (в нейтральной и восстановительной среда до2200 ⁰ С), а так же при низких температурах. От окисления поверхности волокна предохраняют защитными покрытиями (пиролетическими)В отличие от стеклянных волокон карбоволокна плохо смачиваются связующим (низкая поверхностная энергия), поэтому их подвергают травлению. При этом увеличивается степень активирования углеродных волокон по содержанию карбоксильной группы на их поверхности. Межслойная прочность при сдвиге углепластиков увеличивается в 1,6—2*5 раза. Применяется вискеризация нитевидных кристаллов TiO ₂ , AlN, Si₃N₄, что дает увеличение межслойной жесткости в 2 раза и прочности в 2,8 раза. Применяются пространственно армированные структуры.

Связующими служат синтетические полимеры (полимерные карбоволокниты); синтетические полимеры, подвергнутые пиролизу (коксованные карбоволокниты); пиролитическйй углерод (пироуглеродные карбоволокниты).

Эпоксифенольные карбоволокниты КМУ-1л, упрочняемые углеродной лентой, и КМУ-1у на жгуте, вискеризованном нитевидными кристаллами, могут длительно работать при температуре до 200⁰ С.

Карбоволокниты КМУ-3 и КМУ-Зл получают на эпоксианилиноформальдегидном связующем, их можно эксплуатировать при температуре до 100 °С, они наиболее технологичны. Карбово­локниты КМУ-2 и КМУ-2л на основе полиимидного связующего можно применять при температуре до 300 °С.

Карбоволокнигы отличаются высоким статическим и динамическим сопротивлением усталости (рис. 224), сохраняют это свой­ство при нормальной и очень низкой температуре (высокая тепло­проводность волокна предотвращает саморазогрев материал за счет внутреннего трения). Они водо- и химически стойкие. После воздействия на воздухе рентгеновского излучения σ _изг. E изменяются.

Теплопроводность углепластиков в 1,5—2 раза выше, чем теплопроводность стеклопластиков.

[ Карбостекловолокниты содержат наряду с уголными стеклянные волокна, что удешевляет материал.

Карбоволокниты с углеродной матрицей. Коксованные материалы получают из обычных полимерных карбоволкнитов, подвергнутых пиролизу в инертной или восстановительной атмосфере.

При температуре 800—1500 °С образуются карбонизированные, при 2500—3000 °С графитированные карбоволокниты. Для получения пироуглеродных материалов упрочнитель выкладывается по форме изделия и помещается в печь, в которую пропускается газообразный углеводород (метан). При определенном режиме {температуре 1100°С и остаточном давлении 2660 Па) метан разлагается и образующийся пиролитический углерод осаждается на волокнах упрочнителя, связывайя их.

Образующийся при пиролизе связующего кокс имеет вы­сокую прочность сцепления с углеродным волокном. В связи с этим композиционный материал обладает высокими механическими и абляционными свойствами, стойкостью к термиче­скому удару.

Карибоволкниты с углеродной матрицей типа КУП - ВМ по зна­чениям прочности и ударной вязкости в 5—10 раз превосходит специальные графиты; при нагреве в инертной атмосфере и ваку­уме он сохраняет прочность до 2200°С на воздухе окисляется при 450 ⁰ С и требует защитного покрытия. Коэффициент трения одного карбоволокнита с углеродной матрицей по другому высок (0,35-0,45), и износ мал (0,7—1 мкм на торможение).

Полимерные карбоволокниты используют в судо-и автомобилестроении (кузова гоночных машин, шасси, гребные винты); из них изготовляют подшипники, панели отопления, спортивный инвентарь, части ЭВМ. Высокомодульные карбоволокниты применяют для изготовления деталей авиационной техники, аппаратуры для химической промышленности, в ренгеновском оборудовании.

Ка-рбоволокниты с углеродной матрицей заменяют различные типы графитов. Они применяются для тепловой защиты, дисков, авиационных тормозов, химически стойкой аппаратуры.

 

3. БОРОВОЛОКНИТЫ

Бороволокниты представляют собой композиции из полимерного ^гсвязующего и упрочнителя —борных волокон. Бороволокниты отличаются высокой прочностью при сжатиие и срезе, низкой ползучестью, высокими твердостью и модулем упругости, теплопроводностью и электропроводимостью. Ячеистая микроструктура борных волокон обеспечивает высокую прочность при сдвиге награнице раздела с матрицей. 1

Помимо непрерывного борного волокна применяют комплексныеборостеклониты, в которых несколько параллельных борных волокон стеклонитью, придающей формоустбйчивость. Применение боростеклонитей облегчает технологический процесс| изготовления материала. ' Ц

В качестве матриц для получения • бороволокнитов используют модифицированные эпоксидное и полиамидные связующие. Бороволокниты КМБ-1 и КМБ-1к предназначены для длительной работы при температуре 200 °С; КМБ-3 и КМБ-Зк не требуют высокого давления при переработке и могут работать при температуре не свыше 100 °С; КМБ-2к работоспособен при 300 °С.

Бороволокниты обладают высокими сопротивлениями усталости, они стойки к воздействию радиации, воды, органических растворителей и горючесмазочных материалов.

Поскольку борные волокна являются полупроводниками, то бороволокниты обладают повышенной теплопроводностью и электропроводимостью.

Для боровлокнитов прочность при сжатии 2—2,5 раза больше, чем для карбоволокнитов.

 

4. ОРГАНОВОЛОКНИТЫ

Органоволокниты представлявляют собой композиционные материалы, состоящие из полимерного связующего и упрочнителей (наполнителей) а виде синтетических волокон. Такие материалы обладают малой массой, сравнительно высокими удельной проч­ностью и жесткостью, стабильны при действии знакопеременных нагрузок и резкой смене температуры. Для синтетических волокон потери прочности при текстильной переработке небольшие; они малочувствительны к повреждениям.

_: В органоволокнитах значения модули упругости и температур­ных коэффициентов линейного расширения упрочните л я и связующего близки. Происходит диффузия компонентов связующего в волокно и химическое взаимодействие между ними. Структура материала бездефектна. Пористость не превышает 1-3 % (в дру­гих материалах 10—20%). Отсюда стабильность механических свойств органоволокнитов при резком перепаде температур, дей­ствии ударных и циклических нагрузок, Ударная вязкость высо­кая (400—700 кДж/м²). Недостатком этих материалов является сравнительно низкая прочность при сжатии и высокая ползучесть (особенно для эластичных волокон).

Органоволокниты устойчивы в агрессивных средах и во влажном тропическом климате; диэлектрические свойства высокие, а теплопроводность низкая. Большинство органоволокнитов могут длительно работать при температуре 100—150 °С, а на основе полиимидного связующего и полиоксадиазольных волокон при 200—300 °С.

В комбинированных материалах наряду с синтетическими волокнами применяют минеральные (стеклянные, карбоволокна,| бороволокна). Такие материалы обладают большей прочностью и жесткостью.

Органоволокниты применяют в качестве изоляционного конструкционного материала в электрорадиопромышленности, авиационной технике, автостроении; из них изготовляют трубы, ем­кости для реактивов, покрытия корпусов судов и др.,

 

. НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

К неорганическим полимерным материалам относятся минераль­ное стекло, cиталлы, керамика и др. Этим материалам присуща негорючесть, высокая стойкость к нагреву, химическая стойкость, неподверженность старению, большая твердость, хорошая сопро­тивляемость сжимающим нагрузкам. Однако они обладают хрупкостью, плохо переносят резкую смену температур, слабо сопротивляются растягивающим и изгибающим усилиями имеют большую плотность по сравнению с органическими полимерными материалами.

Основой неорганических материалов являются оксиды и бескислородные соединения металлов. Поскольку большинство неорганических материалов содержит различные сочинения кремния с другими элементами, эти материалы ообъедененыназванием силикатные. В настоящее время заменяют силикатные материалы чистыми оксидами алюминия и т.д.

ЛЕКЦИЯ

 

ТЕМА. НЕОРГАНИЧЕСКОЕ СТЕКЛО.

СИТАЛЛЫ (СТЕКЛО КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ).

 

ПЛАН.

1. Состав и структура неорганических стекол.

2. Виды классификации стекол.

3. Общие свойства стекла.

4. Способы упрочнения стекол.

5. Применение технических стекол

6. Теплозвукоизоляционные стекловолокнистые материалы.

7. СИТАЛЛЫ (СТЕКЛО КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ)

7.1. Общие сведения. Способ получения, состав, структура, виды ситаллов.

7.2. Свойства ситаллов.

7.3. Применение ситаллов.

1. Неорганическое 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 (SiO₄)^4-. При частичном изоморфном замещении кремния в тетраэдрах, например на алюминий или бор, образуется структурная сетка алюмосиликатного [Si_xAlO₄]^2- или боросиликатного (Si_xBO₄)^2- стекла. Ионы щелочных (Na, К) и щелочнозе­мельных (Са, Мg, Ва) металлов называются модификаторами в структурной сетке стекла они располагаются в промежутках тетраэдрических группировок. Введение Na₂0 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.

 

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

В зависимости от химической при­роды стеклообразующего вещества стекла подразделяют на силикатные (SiO₂), алюмосиликатные (Аl₂Оз—SiO₂), боросиликатные (В₂Оз—SiO₂), —алюмеборесилйкатные - (А^Оз—В^Оз—ЗЮ^), алюмофосфатные (АlОз— Р₂О₅) и др. По содержанию модификаторов стекла бывают щелочными (содержащими оксиды Na₂О, К₂О), 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.

 

 

Рис. 236. Зависимость свойств стекла от температуры:

 

ή — вязкость; Е — удельный объем и

содержание, dЕ/dt ~ теплоемкость и

температурный коэффициент

линейного расширения; t_c -

температура cтеклования; t_p -

температура размягчения

 

 

3. Общие свойства стекла. При нагреве стекло плавится в некото­ром температурном интервале, который зависит от состава. На рис. 236 показана температура стеклования t_c (динамическая вязкость ή= 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 (ή =- 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. Свойства стекла, как и всех аморфных тел, 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 μ=0,184 — 0,26. Твердость стекла, как и других неорганических материалов, часто определяется приближенным методом царапания по минералогической шкале Мооса и равна 5—7 единицам (за 10 единиц принята твердость алмаза, за единицу — талька). 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.

Термостойкость стекла характеризует его долговечность в усло­виях разных изменений температуры. Она определяется разностью температур, которую стекло может выдержать без разрушения при его резком охлаждении в воде (^=0°С). Термостойкость стекла вычисляют по формуле Г. М. Бартенева:

∆T=K

где ∆T — разность температур, °С; К — коэффициент (при охлаж­дении всего изделия K == 1); δ_изг — предел прочности при изгибе;

μ — коэффициент Пуассона; а — температурный коэффициент линейного расширения; Е — модуль упругости.

Коэффициент линейного расширения (ά) стекла составляет от 5,6- 10^-7с^-1 (кварцевое) до 90-10^-7 с-1 (строительное), коэффициент теплопроводности — 0,7—15 Вт/(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, B₂O₅, А1₂O₃, СаО, МgO, ZnO обеспечивают высокую химическую стойкость, а оксиды Li₂O, Na₂O₃, К₂O, ВаО и РЬО, наоборот, способствуют химической коррозии стекла.

4. 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.

5. 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 γ-излучение. Светорассеивающие стекла содержат в своем составе фтор.

Остекление кабин и помещений, где находятся пульты управле­ния мартеновских и дуговых печей, прокатных станов и подъемных кранов в литейных цехах, выполняется стеклами, содержащими оксиды железа и ванадия, которые поглощают около 70 % инфра­красного излучения в интервале длин волн 0,7—3 мкм.

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.

Теплозвукоизоляционные стекловолокнистые материалы. Эти материалы имеют рыхловолокнистую структуру с большим числом воздушных прослоек, волокна в них располагаются беспорядочно. Такая структура сообщает этим материалам малую объемную массу (20—130 кг/м³), низкую теплопроводность [λ= 0,030 — 0,0488 Вт/(м. К)].

Разновидностями стекловолокнистых материалов являются стекловата, применение которой ограничено ее хрупкостью; стекломаты — материалы АСИМ, АТИМС, АТМ-3, состоящие из стекловолокон, расположенных между двумя слоями стеклоткани или стеклосетки, простеганной стеклонитками. Они применяются в интервале температур от —60 до 600 °С. Иногда стекловолокна сочетают с термореактивной смолой, придающей матам более устойчивую рыхлую структуру (материал АТИМСС), они работают при температуре до 150 °С. Материалы, вырабатываемые из корот­кого волокна и синтетических смол, называются плитами. Коэффи­циент звукопоглощения плит при частоте 200—800 Гц равен 0,5;

при частоте 8000 Гц — 0,65.

Стекловату, маты, плиты применяют для теплозвукоизоляции кабин самолетов, кузовов автомашин, железнодорожных вагонов, тепловозов, электровозов, корпусом судов, в холодильной технике, ими изолируют различные трубопроводы, автоклавы и т. д.

 

7. СИТАЛЛЫ (СТЕКЛО КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ)

7.1 Ситаллы получают на основе неорганических стекол пу­тем их полной или частичной управляемой кристаллизации. Тер­мин «ситаллы» образован от слов: стекло и кристаллы. За рубежом их называют стеклокерамикой, пирокерамами. По структуре и технологии получения ситаллы занимают промежуточное положе­ние между обычным стеклом и керамикой. От неорганических сте­кол они отличаются кристаллическим строением, а от керами­ческих материалов — более мелкозернистой и однородной микро­кристаллической структурой (рис. 237).

Ситаллы получают путем плавления стекольной шихты спе­циального состава с добавкой нуклеаторов (катализаторов), охлаждения расплава до пластичного состояния и формования из него изделий методами стекольной технологии и последующей ситаллизации (кристаллизации). Ситалловые изделия получают также порошковым методом спекания.

В состав стекла, применяемого для получения ситаллов, входят оксиды Li₂O, Al₂O₃, SiO₂, МgO, СаО и др.,- катализаторы кристаллизации (нуклеаторы). К числу последних относятся соли светочувствительных металлов Аu, Аg, Си, которые являются коллоидными красителями и находятся в стекле в виде мельчайших коллоидно-дисперсных частиц, а также фтористые и фосфатное соединения, ТiO₂ и другие, представляющие собой глушители, распределяющиеся в стекле в виде плохо растворимых частичек. Нуклеаторы имеют кристаллическую решетку, подобную выделяю­щимся из стекла кристаллическим фазам, и способны в определен­ных условиях образовывать центры кристаллизации, приводя к равномерному закристаллизовыванию всей массы стекла.

Ситал­лы подразделяют на фотоситаллы, термоситаллы и шлакоситаллы.

Фотпоситаллы получают из стекол литиевой системы с нуклеаторами — коллоидными красителями. Фотохимический процесс протекает при облучении стекла ультрафиолетовыми или рентгенов­скими лучами, при этом внешний вид стекла не изменяется. Про­цесс кристаллизации происходит при повторном нагревании изде­лия,

Рис. 237. Схема кристаллизации стекла при образовании ситаллов с помощью катализаторов

Термоситаллы получаются из стекол систем МgO –Al₂O₃

—SiO₂, СаО—Аl₂O₃—SiO₂ и других с добавкой TiO₂, FeS и т. п. нуклеаторов. Кристаллическая структура ситалла создается толь­ко в результате повторной термообработки предварительно отфор­мованных изделий, ^?

Структура ситаллов многофазная, состоит из зерен одной или нескольких кристаллических фаз, скрепленных между собой стекловидной прослойкой. Содержание кристаллической фазы колеблется от 30 до 95 %. Размер кристаллов обычно не превышает 1—2 мкм. По внешнему виду ситаллы могут быть непрозрачными и прозрачными (количество стеклофазы до 40 %).

Шлакоситаллы получают на основе доменных шлаков и катали­заторов (сульфаты, порошки железа и др.); вводятся соединения фтора для усиления ситаллизации.

7.2 В отличие от обычного стекла, свойства которого определяются в основном его химическим составом, для -ситаллов решающее значение имеют структура и фазовый состав. Причина ценных свойств ситаллов заключается в их исключительной мелкозернистости, почти идеальной поликристаллической структуре. Свой­ства ситаллов изотропны. В них совершенно отсутствует всякая пористость. Усадка материала при его переработке незначительна. Большая абразивная стойкость делает их малочувствительными к поверхностным дефектам.

Плотность ситаллов лежит в пределах 2400—2950 кг/м³, проч­ность при изгибе δ_изг 70 —-350 МПа (и даже 560 МПа), δ_в= 112 — 161 МПа, δ_сж - 700 — 2000 МПа, модуль упругости 84—141 ГПа. Прочность ситалла зависит от температуры: до тем­пературы 700—780 °С прочность материала уменьшается незначи­тельно, при более высоких температурах быстро падает. Жаро­прочность ситаллов под нагрузкой составляет 800—1200 °С. Макси­мальная температура размягчения t_разм = 1250 — 1350 °С. Удар­ная вязкость ситаллов выше, чем ударная вязкость стекла (4,5 —— 10,5 кДж/м²), однако они относятся к хрупким материалам. Твердость их приближается к твердости закаленной стали (микро­твердость 7000—10500 МПа). Они весьма износостойки (f_тр =0,07—0,19. По теплопроводности ситаллы в резуль­тате повышенной плотности превосходят стекла [λ=2 — 7 Вт/(м.ЮЗ, Термостойкость высокая (∆t= 500 -т- 900 °С). Стеклокристаллические материалы обладают высокой химической устойчивостью к кислотам и щелочам, не окисляются даже при высоких температурах. Они газонепроницаемы и обладают нуле­вым водопоглощением. Хорошие диэлектрики.

7.3 Применение ситаллов определяется их свойствами. Из ситаллов изготовляют подшипники, детали для двигателей внутреннего сгорания, трубы для химической промышленности, оболочки вакуумных электронных приборов, детали радиоэлектроники. Ситаллы используют в качестве жаростойких покрытий для защиты металлов от действия высоких температур. Их применяют в произ­водстве текстильных машин, абразивов для шлифования, фильер для вытягивания синтетических волокон. Из ситаллов могут быть изготовлены лопасти воздушных компрессоров, сопла реактивных двигателей, они используются для изготовления точных калибров и оснований металлорежущих станков.

 

ЛЕКЦИЯ

КЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Керамика — неорганический материал, получаемый из отформованных минеральных масс в процессе высокотемператур­ного обжига. В результате обжига (1200—2500 °С) формируется структура материала (спекание), и изделие приобретает необходи­мые физико-механические свойства.

Техническая керамика включает искусственно синтезирован­ные керамические материалы различного химического и фазового состава; она обладает специфическими комплексами свойств. Такая керамика содержит минимальное количество или совсем не содержит глины. Основными компонентами технической керамики являются оксиды и бескислородные соединения металлов. Любой керамический материал является многофазной системой. В кера­мике могут присутствовать кристаллическая, стекловидная и газо­вая фазы. ^\

Кристаллическая фаза представляет собой определенные хи­мические соединения или твердые растворы. Эта фаза составляет основу керамики и определяет значения механической прочности, термостойкости и других ее основных свойств.

Стекловидная фаза находится 'в керамике в виде прослоек стекла, связывающих кристаллическую фазу. Обычно керамика содержит 1—10% стеклофазы, которая снижает механическую прочность и ухудшает тепловые показатели. Однако стеклообра-зующне компоненты (глинистые вещества) облегчают технологию изготовления изделий.

Газовая фаза представляет собой газы, находящиеся в порах керамики; по этой фазе керамику подразделяют на плотную, без открытых пор и пористую. Наличие даже закрытых пор нежела­тельно, так как снижается механическая прочность материала.

Большинство видов специальной технической керамики обла­дает плотной спекшейся структурой поликристаллического строе­ния, для ее получения применяют специфические технологические приемы.

Керамика на основе чистых оксидов. В производстве оксидной керамики используют в основном следующие оксиды: Аl₂О₃ (ко­рунд), Zr0₂, Мg0, СаО, ВеО, ТhO₂, UO₂. Структура керамики однофазная поликристаллическая. Кроме кристаллической фазы может содержаться небольшое количество* газов (поры) и стекло­видной фазы, которая образуется в результате наличия примесей в исходных материалах. Температура плавления чистых оксидов

превышает 2000 °С, поэтому их относят к классу высокоогнеупоров. Как и для других неорганических материалов, оксидная керамика обладает высокой прочностью при сжатии по сравнению с проч­ностью при растяжении или изгибе; более прочными являются мелкокристаллические структуры, так как при крупнокристалли­ческом строении на границе между кристаллами возникают значи­тельные внутренние напряжения.

С повышением температуры прочность керамики понижается. При использовании материалов в области высоких температур важным свойством является окисляемость. Керамика из чистых оксидов, как правило, не подвержена процессу окисле­ния.

Керамика на основе Аl₂Оз (корундовая) обладает высокой проч­ностью, которая сохраняется при высоких температурах, хими­чески стойка, отличный диэлектрик. Термическая стойкость корунда невысокая. Изделия из него широко применяют во многих областях техники: резцы, используемые при больших скоростях резания, калибры, фильеры для протяжки стальной проволоки, детали Высокотемпературных печей, подшипники печных конвей­еров, детали насосов, свечи зажигания в двигателях внутреннего сгорания. Керамику с плотной структурой используют в качестве вакуумной, пористую — как термоизоляционный материал. В ко­рундовых тиглях проводят плавление различных металлов, окси­дов, шлаков. Корундовый материал микролит (ЦМ-332) по свой­ствам превосходит другие инструментальные материалы, его плот­ность до 3960 кг/м³, Осж до 5000 МПа, твердость 92—93 НКА и красностойкость до 1200 °С. Из микролита изготовляют резцовые пластинки, фильеры, насадки, сопла, матрицы и др.

Особенностью оксида циркония (Zr0₂) является слабокислотная или инертная природа, низкий коэффициент теплопроводности, Рекомендуемые температуры применения керамики из Zr0₂ 2000--2200 °С; она используется для изготовления огнеупорных тиглей для плавки металлов и сплавов, как тепловая изоляция печей, аппаратов и реакторов, в качестве покрытия на металлах для защиты последних от действия температур.

Керамика на основе оксидов магния и кальция стойка к действию основных шлаков различных металлов, в том числе и щелочных. Термическая стойкость их низкая. Оксид магния при высоких температурах летуч, оксид кальция способен к гидратации даже на воздухе. Их применяют для изготовления тиглей, кроме того, Мg0 используют для футеровки печей, пирометрической аппара­туры и т. д.

Керамика на основе оксида бериллия отличается высокой тепло­проводностью, что сообщает ей высокую термостойкость. Проч­ностные свойства материала невысокие. Оксид бериллия обладает способностью рассеивать ионизирующее излучение высоких энер­гий, имеет высокий коэффициент замедления тепловых нейтронов, применяется для изготовления тиглей для плавки некоторых чистых металлов, в качестве вакуумной керамики в ядерных реакторах. Летучесть спеченных оксидов в вакууме показана на рис. 239.

Керамика на основе оксидов тория и урана имеет высокую температуру плавления, но обладает высокой плотностью и радио­активна. Эти виды керамики применяют для изготовления тиглей для плавки родия, платины, иридия и других металлов, в конструк­циях электропечей (ТhO₂), для тепловыделяющих элементов в энергетических реакторах (UO₂).

Бескислородная керамика. К тугоплавким бескислородным соединениям относятся соединения элементов с углеродом (МеС) — карбиды, с бором (МеВ) — бориды, с азотом (МеМ) — нитриды, с кремнием (МеSi) — силициды и с серой (МеS) — сульфиды. Эти соединения отличаются высокими огнеупорностью (2500—3500 °С), твердостью (иногда как у алмаза) и износостойкостью по отноше­нию к агрессивным средам. Материалы обладают высокой хруп­костью. Сопротивление окислению при высоких температурах (окалиыостойкость) карбидов и боридов составляет 900—1000 °С, несколько ниже оно у нитридов. Силициды могут выдерживать температуру 1300---1700 °С (на поверхности образуется пленка кремнезема).

Карбиды. Широкое применение получил карбид кремния — карборунд (SiС); Он обладает высокой жаростойкостью (1500— 1600 °С), высокой твердостью, устойчивостью к кислотам и не­устойчивостью к щелочам; применяется в качестве нагревательных стержней, защитных покрытий графита и в качестве абразива.

Бориды. Эти соединения обладают металлическими свойствами, их электропроводность очень высокая (pv == (12 — 57) Х 10^-3 Ом-м). Они износостойки, тверды, стойки к окислению. В технике полу­чили распространение дибориды тугоплавких металлов (TiB₂, ZrBr и др.). Их легируют кремнием или дисилицидами, что делает их устойчивыми до температуры их плавления. Диборид циркония стоек в расплавах алюминия, меди, чугуна, стали и др. Его исполь­зуют для изготовления термопар, работающих при температуре свыше 2000 °С в агрессивных средах, труб, емкостей, тиглей. Покрытия из боридов повышают твердость, химическую стойкость и износостойкость изделий.

Нитриды. Неметаллические нитриды являются высокотермо­стойкими материалами, имеют низкие теплопроводность и электро­проводимость. При обычной температуре это изоляторы, а при высоких температурах — полупроводники. С повышением темпе­ратуры коэффициент линейного расширения и теплоемкость увели­чиваются. Твердость и прочность этих нитридов меньше, чем твер­дость и прочность карбидов и боридов. В вакууме при высоких температурах они разлагаются. Они стойки к окислению, действию металлических расплавов.