Лекция 14.

Неорганические материалы

       К неорганическим полимерным материалам относятся минеральное стекло, ситаллы, керамика и др. Этим минералам присущи негорючесть, высокая стойкость к нагреву, химическая стойкость, неподверженность старению, большая твердость, хорошая сопротивляемость сжимающим нагрузкам. Однако они обладают повышенной 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 главным образом оксиды и бескислородные соединения металлов. Поскольку большинство неорганических материалов содержит различные соединения кремния с другими элементами, эти материалы объединяют общим названием силикатные. В настоящее время применяют не только соединения кремния, но и чистые оксиды алюминия, магния, циркония и другие, обладающие более ценными техническими свойствами, чем обычные силикатные материалы. В группу неорганических полимеров входит также графит.

Неметаллические материалы подразделяют на графит, неорганическое стекло, стеклокристаллические материалы – ситаллы и керамику.

Неорганические материалы 1. Графит         Графит является одной из аллотропических разновидностей углерода. Это полимерный материал кристаллического пластинчатого строения ( рис.14.1 ). Слоистая структура графита и слабая связь между соседними плоскостями обуславливает анизотропию всех свойств кристаллов графита во взаимно перпендикулярных направлениях. Между отдельными пластинками в решетке графита имеются свободные электроны, сообщающие графиту электро- и теплопроводность Рис. 14.1. Кристаллическая решётка графита. А и С – кристаллические оси. и металлический блеск. Графит не плавится при атмосферном давлении, а при 37000С сублимируется (испаряется) минуя стадию плавления, который связан с затратой значительной тепловой энергии на этот процесс. Графит встречается в природе, а также получается искусственным путем. Качество природного графита невысоки, он содержит много примесей, порист, свойства почти изотропны. Искусственные виды графита: технический и пиролитический. Эти виды графита обладают совершенной кристаллической структурой, высокой анизотропией свойств и являются высокотемпературными конструкционными материалами. Пиролитический графит получается из газообразного сырья. Он представляет собой продукт пиролиза углеводородов (метана), который осаждается на нагретых до 1000-25000С на поверхностях формы из технического графита или керамики. Пирографит характеризуется степенью анизотропии, равной 100 (и более) :1. Физико-механические свойства искусственного графита. Свойства графита зависят от природы исходного сырья, технологии получения, плотности, степени ориентации кристаллов. Графит легко расщепляется по плоскости спайности. Твердость его не большая. Плотность пористого графита составляет 200-1200 кг/м3, конструкционного 1500-1850 кг/м3.

Пирографита 1950 –2200 кг/м³. (теоретическая плотность графита 2265 кг\м³). Пористость может составлять 80%. Графит является очень хрупким материалом. Его прочность при сжатии выше, чем при изгибе и растяжении. Для графита характерно увеличение прочности и модуля упругости при нагреве. Поэтому его можно использовать и как проводник теплоты, и как теплоизолятор. Коэффициент линейного расширения низкий и с повышением температуры растет незначительно.Графит устойчив к воздействию тепловых ударов. Сочетание особых свойств графита делает его перспективным материалом. Он обладает высокой жаропрочностью и теплозащитен и работающий по принципу абляции. В условиях применения графита при высоких температурах, когда теплоотдача излучением является решающим фактором теплообмена, большое значение имеет степень черноты поверхности материала.

Степень черноты графитовых материалов составляет 0,7 – 0,9, она вырастает при нагреве и

шероховатости поверхности. Таблица 73

Физико-механические свойства искусственного графита

Вид графита	Объемная масса, кг/м3	Порис тость, %	Предел прочности, МПа			Модуль упругости, ГПа	Коэффициент теплопровод ности, Вт/(м К)	Коэффициент линейного расширения  10-6 , с-1
			При растяже нии	При сжатии	При изгибе
ПРОГ	1640	24	10,2/5	50,3/47	17/6,1	8,75/6,1	- /3,56	1,9-5/ -
ПГ-50	1020	52	3,8/5,2	11,6/11,6	7,5/8	1,7/-	-	-
Пиро гра фит	1950-2200	1,5	-/ 114-133	460-485/ 105-150	-/105	При сжатии 112/70	1,16-3,5/ 372	23,5/ 0,0225

Примечание. В числителе приведены свойства графита в перпендикулярном направлении, в знаменателе – свойства в продольном направлении         Графит обладает хорошими антифрикционными свойствами (f = 0,28), поэтому они применяются в качестве антифрикционных материалов, основным преимуществом которых является способность работать без смазывания в условиях высоких и низких температур, больших скоростей, агрессивных сред. Недостатком графита является склонность его к окислению начиная с температур 400-8000С, с выделением газообразных продуктов. Поэтому поверхность графита защищают введением легирующих добавок (ниобий, тантал, кремний), которые делают структуру графита мелкозернистой, повышая его твердость и прочность, или нанесением защитных покрытий.

2. Неорганическое стекло

Неорганическое стекло следует рассматривать как особого вида затвердевший раствор – сложный расплав высокой вязкости кислотных и основных оксидов. Стекловидное 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. 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 стекломасс. Кроме того, в состав стекла вводят оксиды алюминия, железа, свинца, титана, бериллия, 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 зависимости от химической природы стеклообразующего

вещества, стекла подразделяются на

• силикатные (SiO₂);

• алюмосиликатные (Al₂O₃-SiO₂);

• боросиликатные (B₂O₃-SiO₂);

• алюмоборосиликатные (Al₂O₃-B₂O₃-SiO₂);

• алюмофосфатные (Al₂O₃-P₂O₅).

По содержанию модификаторов стекла бывают

• щелочными (содержащими оксиды Na₂O,K₂O );

• бесщелочными;

• кварцевыми.

по назначению все стекла подразделяются на

• технические (оптические, светотехнические, электротехнические, химико-лабораторные, приборные, трубные);

• строительные (оконные, витринные, армированные, стеклоблоки);

• бытовые стеклотара, посудные, бытовые зеркала).

Свойства стекла.

При нагреве стекло плавится в некотором температурном интервале, который зависит от состава. Механические свойства стекла характеризуются высоким сопротивлением сжатию (500–2000 МПа), низким пределом прочности при растяжении (30 –90 МПа) и изгибе (50-150 МПа) (рис. 90). Модуль упругости высокий (45-100 МПа), коэффициент Пуассона  =0,184-0,26. Твердость по шкале Мооса 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 8% и поглощает 1% видимого и частично инфракрасного света. Ультрафиолетовое излучение поглощает полностью. Механическая прочность и термостойкость стекла могут быть повышены путем закалки с температур выше температуры стеклования и термического упрочнения, путем образования на поверхности полимерной пленки. Применение технических стекол. Для остекленения транспортных средств используют преимущественно триплексы, термопан и закаленные стекла. Оптические стекла, применяемые в оптических приборах и инструментах, подразделяют на кроны, отличающие малы преломлением, и флинты с высоким содержанием оксида свинца и большим значение коэффициента преломления. Кварцевое стекло вследствие высокой термической и химической стойкости применяют для изготовления тиглей, чаш, труб, наконечников, лабораторной посуды.