Неорганические материалы

Керамика — это неорганический минеральный матери­ал, получаемый из отформованного минерального сырья путем спекания при высоких температурах (1200-2500 °С). Структура керамики состоит из кристаллической, стекло­видной (аморфной) и газовой фазы. Кристаллическая фаза является основой керамики, ее количество составляет до 100 %. Она представляет собой различные химические соединения и твердые растворы. Стекловидная фаза находит­ся в керамике в виде прослоек стекла. Ее количество состав­ляет до 40 %. Она снижает качество керамики. Газовая фаза представляет собой газы, находящиеся в порах керамики.

По назначению керамика может быть разделена на строительную, бытовую и художественно-декоративную, техническую.

Строительная (например, кирпич) и быто­вая (например, посуда) чаще всего имеет в структуре га­зонаполненные поры и изготовляется из глины.

Техничес­кая керамика имеет почти однофазную кристаллическую структуру и изготовляется из чистых оксидов, карбидов, боридов или нитридов. Основные оксиды, используемые для производства керамики — Аl₂О₃, ZгО₂, МgО, СаО, ВеО.

Техническая керамика используется в качестве ог­неупорного, конструкционного и инструментального материала.

Она обладает высокой прочностью при сжа­тии и низкой при растяжении. Главный недостаток кера­мики, как и стекла — высокая хрупкость. Рассмотрим наиболее важные виды технической керамики.

Корундовая керамика на основе Аl₂О₃ получила наи­большее распространение.

Характеризуется температу­рой плавления 2050 °С, плотностью 3,97 г/см³, высокой прочностью, теплостойкостью, химической стойкостью, износостойкостью, диэлектрическими свойствами. Сы­рьем для получения чистого оксида алюминия являются бокситы, содержащие от 50 до 100 % Аl₂О₃. Эта керамика широко применяется для изготовления инструмента, деталей двигателей внутреннего сгорания, высокотемпературных печей, керамических подшипни­ков, тиглей для плавки металлов, сопел, в приборострое­нии и электротехнике

Керамика из оксида циркония ZгО₂ характеризуется низ­кой теплопроводностью, высокой прочностью, высокой температурой плавления — 2677 °С, плотностью 5,56 г/см³.

Поэтому она используется для работы при высоких тем­пературах — до 2200 °С. Из нее изготовляют тигли для плавки металлов, тепловую изоляцию печей и реакторов, теплозащитные покрытия на металлах, детали двигателей внутреннего сгорания. Недостатками этой керамики яв­ляется низкая стойкость к резкой смене температур и высокая стоимость.

Керамика из оксида магния МgО имеет высокую темпе­ратуру плавления — 2800 °С, плотность 3,58 г/см³, облада­ет стойкостью к действию основных шлаков различных металлов. Поэтому применяется для изготовления тиглей и футеровки печей. Недостаток оксида магния — летучесть при высоких температурах, низкая термическая стойкость.

Керамика из оксида бериллия ВеО характеризуется высокой теплопроводностью и термостойкостью, темпе­ратурой плавления 2580 °С, плотностью 3,03г/см³, низкой прочностью, хорошо рассеивает ионизирующее излуче­ние и замедляет тепловые нейтроны. Поэтому использу­ется в конструкции ядерных реакторов и для изготовле­ния тиглей для плавки металлов. Недостатками этой ке­рамики является высокая стоимость и токсичность.

Керамика из оксида урана UО₂ имеет высокую темпе­ратуру плавления — 2760 ⁰ С, очень высокую плотность 10,96 г/см³, обладает радиоактивностью. Она применяет­ся для тепловыделяющих элементов в ядерных энергети­ческих установках.

Карбид кремния SiС (карборунд) обладает высокой твердостью, прочностью, химической стойкостью, жаро­стойкостью до 1800 °С, температурой плавления 2600 "С, плотностью 3,2 г/см³. Применяется в качестве абразивно­го материала, защитного покрытия графита, деталей дви­гателей внутреннего сгорания, нагревательных стержней.

Нитрид кремния Si₃N₄ характеризуется высокой проч­ностью, жаропрочностью, износостойкостью, жаростойкостью до 1800 °С, плотностью 3,2 г/см³. Применяется для деталей двигателей внутреннего сгорания.

Бориды тугоплавких металлов (Т1В₂, 2гВ₂) характери­зуются высокой твердостью, износостойкостью, обладают металлическими свойствами, очень высокой температурой плавления. Их используют в качестве износостойких и защитных покрытий. 2*В₂ используют для изготовления термопар, работающих в среде расплавленных металлов.

Стеклом называется твердый аморфный термопластич­ный материал, получаемый переохлаждением расплава различных оксидов. В состав стекла входит стеклообразующие кислотные оксиды (SiO₂, Аl₂О₃, В₂О₃ и др.), а также основные оксиды (К₂О, СаО, Nа₂О и др.), придающие ему специальные свойства и окраску. Оксид кремния яв­ляется основой большинства стекол и входит в их состав в количестве 50-100 %.

По назначению стекла подразде­ляются на

строительные (оконные, витринные и др.),

бы­товые (стеклотара, посуда, зеркала и др.)

и технические (оптические, свето- и электротехнические, химико-лабо­раторные, приборные и др.). В зависимости от исходного стеклообразующего вещества различают силикатное стек­ло (на основе SiO₂), боросиликатное (Ва₂О₃ и SiO₂), алюмосиликатное (Аl₂О₃, Ва₂О₃ и SiO₂), алюмофосфорное (Аl₂О₃ и Р₂О₅), силикотитановое (SiO₂ и ТiO₂) и др.

При нагреве выше температуры стеклования стекло постепенно размягчается, переходя в вязкотекучее, а затем в жидкое состояние. При охлаждении расплава происхо­дит постепенное возрастание вязкости и при температуре стеклования переход в твердое и хрупкое состояние. Для большинства промышленных стекол температура стекло­вания составляет 425-600 °С.

Важными свойствами стекла являются оптические. Обычное стекло пропускает около 90 % , отражает — 8 % и поглощает — 1 % видимого света. Механические свойства стекла характеризуются высоким сопротивлением сжатию и низким — растяжению. Термостойкость стек­ла определяется разностью температур которую оно мо­жет выдержать без разрушения при резком охлаждении в воде. Для большинства стекол термостойкость колеб­лется от 90 до 170 °С, а для кварцевого стекла — 1000 °С. Основной недостаток стекла — высокая хрупкость.

Рассмотрим некоторые виды технических стекол.

Светотехническое стекло по составу совпадает с обыч­ным оконным стеклом (70-72 % SiO₂, 14-15 % Nа₂О, 7-8 % СаО; 3-4 % МgО, 1-2 % К₂О; 1-2 % А1₂О₃) с добав­ками при необходимости специальных компонентов. Для получения светорассеивающих стекол вводят 3-4 % со­единений фтора. Цветные сигнальные стекла получают добавкой 1-2 % сернистого кадмия и 0,5-1 % селена (красное стекло), 1,2-1,5 % оксида меди и 0,2-0,7 хрома (зеленое стекло), 1,5 % сернистого кадмия (желтое стек­ло). Теплозащитные стекла, предназначенные для остек­ления помещений в горячих цехах, содержат оксиды же­леза и ванадия.

Электровакуумное стекло применяется для электричес­ких ламп накаливания, люминисцентных ламп, радиоламп и др. Главными требованиями к нему являются определен­ный коэффициент теплового расширения и термическая стойкость (от 100 до 1000 °С) в зависимости от особенностей данной лампы. Для этих целей используется силикатное, боросиликатное, алюмосиликатное и кварцевое стекло.

Кварцевое стекло получают путем плавления при тем­пературе выше 1700 °С наиболее чистых природных раз­новидностей 5Ю₂. Оно имеет очень высокую теплопро­водность и малый коэффициент теплового расширения, что обеспечивает кварцевому стеклу очень высокую тер­мическую стойкость. Применяется оно для изготовления тиглей, труб, лабораторной посуды.

Закаленное стекло имеет состав обычного оконного стекла. Закалка состоит в нагреве стекла выше темпера­туры стеклования (обычно 600-650 °С) и равномерном охлаждении струей воздуха или в масле. При этом зна­чительно увеличивается прочность и вязкость стекла.

Триплекс (безосколочное стекло) представляет собой два листа закаленного стекла, склеенные прозрачной по­лимерной пленкой. При разрушении триплекса осколки удерживаются на пленке. Применяются триплексы для остекления транспортных средств.

Пеностекло получают путем спекания при температу­ре 700-900 °С смеси стекольного порошка с газообразователями (мел, известняк, уголь и др.). Оно отличается малой плотностью, низкой теплопроводностью, относи­тельно высокой прочностью. Применяется в качестве тепло-, звуко- и электроизоляционного материала.

Ситаллы представляют собой материалы, полученные путем кристаллизации стекол.

Ситаллы изготовляют путем плавления стекольного материала с добавкой ка­тализаторов кристаллизации. Далее расплав охлаждает­ся до пластического состояния и из него формуются из­делия. Кристаллизация обычно происходит при повтор­ном нагревании изделий.

По структуре ситаллы занимают промежуточное мес­то между стеклом и керамикой. Их структура состоит из зерен кристаллической фазы, скрепленных стекловидной прослойкой. Содержание кристаллической фазы состав­ляет 30-95 %. Пористость отсутствует.

Ситаллы характе­ризуются исключительной мелкозернистостью. По внеш­нему виду могут быть прозрачными и непрозрачными.

Структура ситаллов определяет их свойства.

Ситаллы имеют высокую твердость, высокую прочность при сжа­тии и низкую при растяжении, обладают жаропрочно­стью до 900-1200 "С, жаростойкостью, износостойкостью. Они характеризуются высокой химической стойкостью и хорошими электроизоляционными свойствами.

Ситаллы отличаются хрупкостью, однако меньшей, чем стекло.

Применяются ситаллы для деталей, работающих при высоких температурах и в агрессивных средах, деталей радиоэлектроники, инструментов.

Графит представляет собой одну из кристаллических разновидностей углерода. Это материал кристаллическо­го слоистого строения с гексагональной решеткой. Его ато­мы располагаются в параллельных слоях по углам пра­вильных шестигранников на расстоянии 0,142 нм друг от друга. Расстояние между слоями значительно больше, чем между атомами, расположенными в одной плоскости и составляет 0,335 нм. Это существенно ослабляет связь между атомными слоями, благодаря чему кристаллы гра­фита легко расслаиваются. По этой же причине для графи­та характерна анизотропия свойств. Графит обладает ха­рактерными металлическими свойствами — блеском, вы­сокими электропроводимостью и теплопроводностью. Графит при атмосферном давлении не плавится, а сразу испаряется при температуре около 3850 °С. Он характе­ризуется химической стойкостью, малым расширением при нагреве, достаточной прочностью, высокой жаропрочно­стью. При этом с повышением температуры до 2200-2400 °С прочность графита повышается от 35 до 50 МПа.

Естественный графит является дорогим и обладает низкой прочностью. Поэтому в технике применяют син­тетический графит, который производят из кокса путем обжига при температуре 2500-3000 "С. В процессе обжи­га происходит графитизация кокса, состоящая в росте и упорядочении кристаллов.

Графит нашел широкое применение в качестве огне­упорного материала в металлургии и замедлителя нейтро­нов в атомных реакторах. В последнем случае применяется графит высокой чистоты. Графит используется как конструкционный материал для работы при высоких тем­пературах, где требуется высокая прочность и стойкость против эрозии. Графит обладает очень хорошими анти­фрикционными свойствами, поэтому он входит в состав ан­тифрикционных материалов, которые способны работать без смазки в условиях высоких и низких температур, боль­ших скоростей скольжения, агрессивных сред.

Недостатками графита являются хрупкость и низкая жаростойкость. Он начинает окисляться на воздухе уже при 450-500 °С. Поэтому для повышения жаростойкости графита прибегают к покрытию готовых изделий туго­плавкими металлами, твердыми сплавами, керамикой (А1₂О₃), силицированию и боросилицированию.

Асбест представляет собой минерал с характерным волокнистым строением. Длина волокон асбеста колеб­лется в широких пределах — от долей миллиметра до 20 мм. Существует много видов асбеста, но наибольшее про­мышленное значение имеет хризотиловый асбест, состав­ляющий 95 % мировой добычи асбеста. В состав асбеста входят оксиды магния, железа, кремниевая кислота, вода и в незначительных количествах некоторые примеси.

Асбест характеризуется высокой теплостойкостью и огнестойкостью, малой тепло- и электропроводностью, химической стойкостью. Он выдерживает температуру до 500 °С. Из асбеста изготовляют специальные пряжу, тка­ни, бумагу, картон. Он используется в качестве наполни­теля для изготовления теплостойких пластмасс. Асбоце­ментные материалы используются в качестве теплозащит­ных покрытий. Листовой материал, изготовленный из асбестового волокна, синтетического каучука, наполните­лей и вулканизирующих добавок, называется паронимом. Он является теплостойким уплотняющим материалом. Паронит применяется для уплотнения соединений водя­ных и паровых магистралей, трубопроводов и т.п.