Силикаты. Классификация. Тройная диаграмма.

Основным сырьем для производства керамики являются силикаты.

Силикатами (от лат. silex – кремень) называют минералы, обязательным элементом которых является кремнезем SiO2.

В горных породах кремнезем находится как в чистом виде – кристаллический минерал кварц (кварцевый песок, горный хрусталь и др.), так и в связанном состоянии, входя в сложные комбинации с оксидами алюминия, кальция и магния.

Одним из многих положительных свойств силикатов является способность длительное время выдерживать высокотемпературный нагрев в окислительной среде. Для инженерного решения новых тепловых процессов в современной технике также требуются соответствующие материалы. На примере современного сверхзвукового пассажирского самолета с его конструктивными элементами показан температурный режим эксплуатации основных элементов конструкции.

Силикатная промышленность связана с переработкой кремнезема и его соединений, а также их смесей с другими веществами в технические материалы. По технологическому признаку продукцию силикатной промышленности разделяют на керамику, стекло и вяжущие материалы.

Тройная диаграмма состава силикатных материалов:

1 – это динасовые огнеупоры; 2 – шамотные огнеупоры; 3 – алюмосиликатные огнеупоры; 4 – плавленый муллит; 5 – корундовые огнеупоры; 6 – глиноземистые цементы; 7 – известковые вяжущие; 8 – портландцемент

 

 

Керамика. Технология керамики.

Технология керамики заключается в тонком измельчении исходного сырья, формовании изделий методами обработки давлением или по литейной технологии и последующих сушке и обжиге. Характерной особенностью технологии керамики является получение целевого продукта в результате химических реакций между веществами в твердом или расплавленном состоянии при высоких температурах. Теоретической основой технологии керамики является тройная диаграмма состояния CaO–Аl2О3–SiО2, которая позволяет определять необходимый состав сырья для получения материала с заданными свойствами.

Керамика (от греч. keramos – глина) – это большая группа неметаллических материалов разного химического состава, объединяемая по общности технологии, которая состоит в спекании по определенным режимам порошкообразных компонентов материала.

Техническую керамику разделяют на строительную и специальную.

Строительную керамику применяют почти во всех конструктивных элементах зданий и сооружений, широко используют для отделки фасадов и внутренних помещений зданий.

Специальная керамика обеспечивает работоспособность многих технических устройств химической и металлургической промышленности (кислотоупорные и огнеупорные изделия), электротехнической промышленности (изоляторы), инструментальной промышленности (абразивные материалы), в высокотемпературной технике многих передовых отраслей машиностроения (энергомашиностроение, авиация, ракетная техника и др.).

Классификация керамических материалов.

Керамика (от греч. keramos – глина) – это большая группа неметаллических материалов разного химического состава, объединяемая по общности технологии, которая состоит в спекании по определенным режимам порошкообразных компонентов материала.

Техническую керамику разделяют на строительную и специальную.

Строительную керамику применяют почти во всех конструктивных элементах зданий и сооружений, широко используют для отделки фасадов и внутренних помещений зданий.

Специальная керамика обеспечивает работоспособность многих технических устройств химической и металлургической промышленности (кислотоупорные и огнеупорные изделия), электротехнической промышленности (изоляторы), инструментальной промышленности (абразивные материалы), в высокотемпературной технике многих передовых отраслей машиностроения (энергомашиностроение, авиация, ракетная техника и др.).

Порошковые графиты.

Основное количество конструкционных графитов получают традиционными методами керамического производства и называют порошковыми графитами.

Порошковые графиты производят из смеси углеродного порошка, получаемого из кокса, с каменноугольным пеком. Из приготовленной смеси формуют заготовки, которые затем подвергают двухстадийной термической обработке. температурах соответственно и.

На первой стадии термической обработки при 1000 °С, которую называют обжигом, происходит пиролиз каменноугольного пека с выделением летучих веществ, что приводит к формированию пористого углеродного каркаса между зернами наполнителя.

Вторая стадия термической обработки при 2500 °С и выше называется графитация (не путать с процессом графитизации – выделением графита в железоуглеродистых сплавах). В условиях высоких температур происходит кристаллизация углерода с формированием в нем кристаллитов графита.

Керамика. Огнеупоры.

К огнеупорам относят керамические материалы, обладающие высокими показателями жаропрочности и жаростойкости.

Основным показателем возможности использования керамического материала в качестве огнеупора служит его способность оставаться при высоких температурах в твердом состоянии, сохранение механических свойств при этом не играет решающей роли.

Огнеупоры изготовляют из сложной смеси разных компонентов, которая не имеет определенной температуры плавления. При нагреве огнеупоры размягчаются, а затем в некотором интервале температур переходят из твердого состояния в жидкое. Жаропрочность огнеупоров (способность выдерживать без разрушения механические нагрузки при высоких температурах) оценивают по температуре размягчения керамических изделий, т. е. по их огнеупорности.

К огнеупорам относят керамические материалы, имеющие температуру размягчения не ниже 1600 °С.

Работоспособность огнеупоров в условиях высоких температур зависит не только от их жаропрочности, но и от характера рабочей среды, в которой они эксплуатируются. Поэтому в характеристику огнеупоров входит также их жаростойкость в разных средах.

Огнеупоры классифицируют по минералогическому составу исходного сырья. Наиболее широкое применение получили шамотные, динасовые и алюмосиликатные огнеупоры.

Шамотные огнеупоры получают из огнеупорных глин. Порошок обожженной огнеупорной глины называют шамот. Шамот спекают с необожженной огнеупорной глиной. Огнеупорные свойства шамоту придает наличие в нем оксида алюминия Аl2O3. Огнеупорность шамота 1400 °С, он хорошо противостоит термическому удару, выдерживает резкие перепады температуры, имея повышенные пористость и газопроницаемость.

Динасовые огнеупоры получают путем обжига различных видов кремнезема (кварцевый песок, кварциты и др.). Они содержат не менее 90% SiO2. Огнеупорность динаса 1700 °С, он обладает высокой стойкостью к воздействию кислот, т.е. является кислотоупорным огнеупором.

Алюмосиликатные огнеупоры получают из кремнезема и огнеупорной глины. В процессе их технологической переработки образуется муллит, вследствие чего алюмосиликатные огнеупоры часто называют муллитовыми огнеупорами. Огнеупорность алюмосиликатов зависит от содержания в них глинозема и при его содержании 45 % достигает 1700 °С. Наличие муллита придает алюмосиликатным огнеупорам хорошую сопротивляемость воздействию кислот, а также расплавленных шлаков и стекла.

37.Строительная керамика.

Основным сырьем для производства строительной керамики служат разновидности глины, которые представляют собой водные алюмосиликаты. При замешивании с водой они образуют тестообразную массу, из которой формуют изделия, которые после обжига переходят в камневидное состояние.

Глиняный кирпич является основным строительным материалом, он получил наиболее широкое применение в строительстве.

Кирпич имеет стандартную форму и размеры 25012965 мм. По величине предела прочности на сжатие кирпич маркируют в пределах 70…300, что соответствует сж = 7...30 МПа.

Кирпич применяют преимущественно для кладки стен зданий, печей и дымовых труб.

Силикатный кирпич получают безобжиговым способом из смеси песка и извести. Смесь прессуют, затем подвергают автоклавной обработке в среде водяного пара, в результате которой кирпич твердеет.

Силикатный кирпич имеет такую же прочность и применяется для тех же целей, что и глиняный кирпич. Однако силикатный кирпич менее влагостоек и поэтому не рекомендуется для подвальных помещений и для других сооружений, контактирующих с водой. Кроме того, он не теплостоек и поэтому не используется для кладки труб и печей.

Производство силикатного кирпича, в отличие от глиняного, не требует высокотемпературного обжига, поэтому силикатный кирпич до 40% дешевле глиняного. Это является основным преимуществом силикатного кирпича перед глиняным.

Стеновые панели изготовляют в заводских условиях. Панель представляет собой облицованную кирпичом или другим видом керамики готовую строительную конструкцию.

Монтаж панелей по сравнению с кирпичной кладкой значительно ускоряет строительство и по крайней мере вдвое снижает трудовые затраты.

Керамическую плитку используют для облицовки фасадов, внутренней облицовки стен и покрытия полов.

Глиняная черепица является одним из старейших долговечных и огнестойких кровельных материалов. Однако ее производство трудоемко, поэтому производство черепицы не получило широкого развития. Черепичные покрытия крыш получили распространение в западных странах.

Фарфор и фаянс используют преимущественно для изготовления санитарно-технических изделий. Фарфор имеет плотную структуру, он практически беспорист, в отличие от фаянса, который имеет пористость.

Для придания поверхности керамических изделий плотности, твердости, гладкости и блеска их покрывают глазурью. Для ее получения на поверхность керамики наносят легкоплавкие силикаты, которые при обжиге образуют стекловидное покрытие.

Каменное литье получают переплавкой горных пород, а также металлургических шлаков и других минеральных отходов промышленных производств. Литейная технология исключает трудоемкую операцию механической обработки по приданию необходимой формы природному камню. Отливки имеют высокую прочность, непроницаемы для жидкостей, морозостойки, обладают высокой химической стойкостью и износостойкостью. В промышленном строительстве каменное литье используют в виде химически стойких плит для пола и облицовки стен зданий и сооружений, из него изготавливают детали химической аппаратуры, а также абразивостойкие трубы и желоба для химически активных сред, а также применяют в качестве электроизоляторов.

Стекло. Состав, структура.

Стекло – аморфное вещество, получаемое путем быстрого охлаждения расплава силикатов сложного состава.

Силикаты – это соли кремниевых кислот, имеющих общий состав mSiO2Н2O. В широко встречающихся в минералах – ортосиликатах SiO22Н2O силикат-ионы SiO4–4 имеют строение правильного тетраэдра ограниченного размера.

Тетраэдры SiO4 могут быть соединены в вершине через атом кислорода. Число тетраэдров, соединенных вершинами, может увеличиваться, при этом образуются более крупные ионы. На рис. показан силикат-ион Si2O7 из двух одинаковых тетраэдров [SiO4]. Тетраэдры при объединении образуют в твердом состоянии устойчивую кристаллическую решетку с ионным типом связи между атомами.

Характерной особенностью структуры аморфного (стеклообразного) состояния является наличие лишь небольших участков упорядоченного расположения атомов, т.е. ближнего порядка в расположении атомов при отсутствии дальнего порядка, характерного для кристаллических веществ. Этим структура стекла отличается как от структуры жидкости, где атомы расположены хаотично, так и кристаллических веществ с упорядоченным расположением атомов. Стекла по структуре занимают промежуточное положение между этими двумя крайними состояниями вещества, а по составу представляют собой смесь разных (преимущественно натриевых) силикатов.

Если расплавы металлов и сплавов очень быстро охлаждать, то будет получена аналогичная структура, то есть аморфный металлический материал. Для получения стекла сверхвысокие скорости охлаждения не требуются, так как расплавы обладают очень высокой вязкостью, которая тормозит процессы формирования упорядоченного расположения атомов.

При медленном охлаждении расплава силикатов с длительной выдержкой затвердевших силикатов в нагретом состоянии получается материал с кристаллическим строением как результат процесса, называемого расстекловыванием. Такой дефект может возникать и в процессе длительной эксплуатации стекол, особенно в условиях нагревания.

39. Основным сырьем для производства стекла служат кварцевый песок, известняк и сода. При их сплавлении получается стекло строительного и бытового назначения, состоящего из оксидов Na2OСаО6SiO2 с небольшими добавками оксидов алюминия и магния. Зеленоватый оттенок стеклу придает наличие в исходном сырье примесей оксидов железа.

Ионы натрия и кальция, входящие в состав бытового стекла, имеют большие размеры, чем ионы кремния. Они располагаются в междоузлиях, где удерживаются ионными связями. Дополнительные атомы кислорода, напротив, присоединяются к сетке, но вследствие избытка отрицательных ионов часть связей разрывается, что ослабляет прочность сетки и, как следствие, приводит к уменьшению вязкости.

40. Процесс расплавления стекла называется варкой, после которой необходимо проведение быстрого охлаждения полученного расплава.

Добавление к кремнезему 15% Na2O и 10% СаО снижает температуру размягчения с 1600 до 700 °С, что упрощает технологию производства стекла. Однако частичный разрыв связей между ионами кремния в атомарной сетке стекла, обеспечивающий снижение вязкости расплава, приводит также к снижению его прочности. Поэтому такие стекла используют преимущественно в бытовых условиях.

В шихту для получения стекла наряду с кварцевым песком (кремнеземом), содой (Na2CO3) и известняком (СаСО3) вводят оксиды других металлов с технологическими добавками. Вводимые в стекло добавки называются модификаторами.

Стекла технического назначения по содержанию оксидов щелочных (натрий и калий) и щелочно-земельных (кальций и магний) металлов делят на щелочные (15% модификаторов), бесщелочные (5%) и кварцевые (без добавок).

Замена оксидов натрия оксидами калия способствует усилению блеска и прозрачности стекол, уменьшает склонность стекол к расстекловыванию. Эти свойства находят применение в оптической промышленности, из калиевого стекла изготовляют химическую посуду и хрусталь.