Свойства некоторых промышленных стекол и ситалла

Стекло	Плотность, г/см3	σв, кгс/мм2, при			Температура размягчения, °С	Термостой-кость, °С	Светопропускаемость, %
		сжатии	растяже- нии	изгибе
Листовое силикатное	2,5–2,0	60–70	3–7	5–10	–	40–80	82–90
№ 31	2,5	40	–	7–8,5	790	150	86,5
«Мазда»	2,6	–	–	–	806	185	–
МКР-1	2,3	7,8	–	4,5–5	650	180	90
Кварцевое	2,0–2,3	35–65	4–6	4,5–10	1200	1000	90
Пеностекло	0,18–0,8	15–25	5–10	300– 400	110–170	–
Ситалл	2,4–2,7	100–200	11–16	7–35	1200–1350	–	–

Стеклянное волокно. Стеклянное волокно получают из рас­плавленного стекла вытягиванием стекломассы через фильеры или другими способами.

Стекловолокно отличается высокими прочностными свойства­ми, стойкостью к агрессивным средам и высокой теплостойко­стью. Ткани из стекловолокна используют для изготовления стеклотекстолитов, фильтрации нефтепродуктов, различных химиче­ских растворов. Нетканое стекловолокно используют как тепло- и звукоизоляционный материал в строительстве, а также при постройке пассажирских и изотермических вагонов, кабин и кор­пусов самолетов и т. д.

Стеклокристаллические материалы – ситаллы. Ситаллы отличаются от стекла минералогическим составом и микрокрис­таллическим строением. Процесс получения изделий из ситаллов осуществляется следующим образом. Из расплавленного стекла определенного состава, в котором находятся катализаторы (для создания центров кристаллизации), получают изделия, которые после охлаждения находятся в стеклообразном состоянии. Повторный нагрев до температуры стеклования (400...600 °С) вызывает образование в стекле зародышей кристаллизации (кристаллы катализаторов). На них при нагреве происходит выделение фаз стекла в кристаллическом состоянии. Степень кристаллизации в ситаллах доходит до 95 %. Ситаллы имеют высокую твердость, высокий предел прочности при изгибе (15...50 кг/мм²), высокую термостойкость (700...800 °С) и хими­ческую стойкость.

Из ситаллов изготовляют обтекатели управляемых снарядов, подшипники для работы без смазки при температуре 540 °С, поршни и цилиндры двигателей внутреннего сгорания, химиче­с­кую и другую аппаратуру.

2.4. 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 в себя искусственно синтезирован­ные керамические материалы различного химического и фазового состава; она обладает специфическими комплексами свойств. Такая керамика содержит минимальное количество глины или совсем не содержит ее. 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 стеклообразующие 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), ZrO₂, MgO, CaO, BeO, ThO₂, 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 высокоогнеупорных материалов. Как и другие неорганические материалы, 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 их окисляемость. Керамика из чистых оксидов, как правило, не подвержена процессу окисле­ния.

Керамика на основе Аl₂О₃ (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, σ_сж – до 5000 МПа, твердость – 9293 HRA и красностойкость – до 1200 °С. Из микролита изго­тов­ляют резцовые пластинки, фильеры, насадки, сопла, матрицы и др.

Особенностью оксида циркония (ZrO₂) является слабокислотная или инертная природа, низкий коэффициент теплопровод­ности. Рекомендуемые температуры применения керамики из ZrO₂ 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 этих оксидов низкая. Оксид магния при высоких температурах летуч, оксид кальция способен к гидратации даже на воздухе. Их применяют для изготовления тиглей, кроме того, MgO 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.

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 (ThO₂), для тепловыделяющих элементов в энергетических реакторах (UО₂).

Основные свойства керамики на основе чистых оксидов приве­дены в табл. 8.

Бескислородная керамика. К тугоплавким бескислородным соединениям относятся: соединения элементов с углеродом (МеС) – карбиды; с бором (МеВ) – бориды; с азотом (MeN) – нитриды; с кремнием (MeSi) – силициды и с серой (MeS) – 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 (окалиностойкость) карбидов и боридов составляет 900–1000 °С, оно несколько ниже у нитридов. Силициды могут выдерживать температуру 1300–1700 °С (на поверхности образуется пленка кремнезема).

Карбиды. Широкое применение получил карбид кремния – карборунд (SiC). 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, имеют очень высокую электропроводность (ρ  = (12 ÷ 57)· 10^–1 Ом · м). Они износостойкие, твердые, стойкие к окислению. В технике полу­чили распространение дибориды тугоплавких металлов (TiB₂, ZrB₂ и др.). Дибориды 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.

Нитрид бора α-BN – «белый графит» – имеет гексаго­нальную, графитоподобную структуру. Это мягкий порошок, стойкий к нейтральной и восстановительной атмосфере, исполь­зуется как огнестойкий смазочный материал, изделия из него тер­мостойки. Спеченный нитрид бора – хороший диэлектрик при 1800 °С в бескислородной среде. Наиболее чистый нитрид бора приме­няется в качестве материала обтекателей антенн и электронного оборудования летательных аппаратов. Другой модификацией является β-BN – алмазоподобный нитрид бора с кубической структурой, называемый эльбором. Его получают при высоком давлении и температуре 1360 °С в присутствии катализатора. Плотность эльбора 3450 кг/м³, температура плавления 3000 °С. Он является заменителем алмаза, стоек к окислению до 2000 °С (алмаз начинает окисляться при температуре 800 °С).

Нитрид кремния (Si₃N₄) более других нитридов устойчив на воздухе и в окислительной атмосфере до 1600 °С. По удельной прочности при высоких температурах Si₃N₄ превосходит все кон­струкционные материалы, а по стоимости он дешевле жаропрочных сплавов в несколько раз. Нитрид кремния прочный, износостой­кий, жаропрочный материал. Он применяется в двигателях внут­реннего сгорания (головки блока цилиндров, поршни и др.), стоек к коррозии и эрозии, не боится перегрева теплонагруженных деталей.

Силициды отличаются от карбидов и боридов полупроводнико­выми свойствами, окалиностойкостью, они стойки к действию кислот и щелочей. Их можно применять при температуре 1300–1700 °С, при 1000 °С они не реагируют с расплавленным свинцом, оловом и натрием. Дисилицид молибдена (MoSi₂) используется наиболее широко в качестве стабильного электронагревателя в печах при температуре 1700 °С в течение нескольких тысяч часов. Из спеченного MoSi₂ изготовляют лопатки газовых турбин, сопло­вые вкладыши двигателей; его используют как твердый смазоч­ный материал для подшипников, для защитных покрытий туго­плавких металлов от высокотемпературного окисления.

Сульфиды. Из сульфидов практическое применение нашел только дисульфид молибдена (MoS₂), имеющий высокие антифрикционные свойства. Его применяют в качестве сухого вакуум-стойкого смазочного материала. Рабочие температуры составляют: на воздухе – от –150 до 435 °С, в вакууме – до 1100 °С, в инертной среде – до 1540 °С. Дисульфид молибдена электропроводен, немагнитен, стоек к ра­диации, воде, инертным маслам и кислотам, кроме крепких HСl, HNO₃, и к царской водке. При температуре выше 400 °C начинается процесс окисления с образованием оксидной пленки, а при 592 °C образуется МоО₃, являющийся абразивом.

Свойства бескислородной керамики приведены в табл. 9.