Лекция 7. Силикатные материалы. Лекция Общие сведения, классификация керамических материалов
 Скачать 0.6 Mb.
|
|
1 Лекция № 7. Общие сведения, классификация керамических материалов В керамической технологии используют главным образом каолины и глины, а также чистые оксиды. Под каолинами и глинами понимают природные водные алюмосиликаты с различными примесями, способные при замешивании с водой образовывать пластичное тесто, которое после обжига необратимо переходит в камневидное состояние. Керамические изделия изготовляют способами пластического формования и полусу- хого прессования с последующей сушкой и спеканием. При нагреве глины во время спекания в ней начинают последовательно происходить химические и физико-химические процессы, приводящие к полному и необратимому из- менению ее структуры: 1. удаление химически связанной воды (500–600 °С); 2. разложение обезвоженной глины на оксиды (800–900 °С); 3. образование новых водостойких и тугоплавких минералов (1000–1200 °С); 4. образование некоторого количества расплава из легкоплавких компонентов глины (900–1200 °С); 5) образование прочного камневидного материала за счет связывания твердых частиц образовавшимся расплавом. Состав керамики образован многокомпонентной системой, включающей: кристаллическую фазу (более 50%) – химические соединения и (или) твердые рас- творы. Кристаллическая фаза является основой керамики и определяет значения механи- ческой прочности, термостойкости и других основных свойств; стекловидную (или аморфную) фазу (1–40%) – прослойки стекла, химический со- став которого отличается от химического состава кристаллической фазы. Стекло- видная фаза ухудшает механическую прочность и тепловые показатели, однако стеклообразующие компоненты (глинистые вещества) облегчают технологию изго- товления изделий; газовую фазу – газы, находящиеся в порах. По структуре порового пространства различают керамику с открытыми, т.е. сообщающимися с внешней средой, и за- крытыми порами. Наличие даже закрытых пор ведет к снижению механической и электрической прочности, росту электрических потерь. Керамика – изотропный материал, так как представляет собой поликристаллическое вещество с мелкими беспорядочно расположенными кристаллами. Керамику с анизотро- пией свойств получают на основе монокристаллов. Сегнето- и пьезокерамику получают при сохранении остаточной поляризации. Свойства керамики определяются ее составом, структурой и пористостью. К основ- ным свойствам керамических материалов относятся: плотность 1800–3900 кг/м 3 и более; водопоглощение – для пористой керамики 6–20% по массе (12–40% по объему), а для плотной – 1–5% по массе (2–10% по объему); теплопроводность в зависимости от пористости и химического состава 0,8–1,16 Вт/(м·К). Сравнительно высокая теплопроводность у керамики на основе А1 2 О 3 и, особенно на основе ВеО; σ раст =30–300 МПа, σ сж =3000 МПа и более; твердость, близкая к твердости алмаза; 2 высокая хрупкость; высокое электрическое сопротивление, отличные диэлектрические свойства; водо-, химическая, коррозионная и жаростойкость. Недостатком керамики является высокая усадка при спекании – 20–25% и выше, что создает трудности с обеспечением точных размеров изделия. Обработка готовых изделий затруднена, так как спеченная керамика обладает высокой твердостью, режется с трудом и только абразивами. Способами воздействия на свойства керамических изделий являются химико- термическая обработка и использование покрытий, в том числе глазури. Глазурь – защитно-декоративное стекловидное покрытие на керамике, закрепленное обжигом. Прочность керамики с таким покрытием повышается на 15–20%, что связано со сжимающими напряжениями в поверхностном слое, которые возникают из-за разницы температурных коэффициентов линейного расширения керамики и глазури. Однако гла- зурь увеличивает электрические потери, поэтому ее не применяют в высокочастотной электрической керамике. Изделия из керамики соединяют друг с другом теми же материалами, что и ситаллы: стеклокристаллическим цементом с последующей термической обработкой, клеями и за- мазками на основе эпоксидной смолы и жидкого стекла, а также металлизацией с после- дующей пайкой. Керамику классифицируют по вещественному составу, составу кристаллической фазы, структуре и назначению. По вещественному составу разновидностями керамики являются фаянс, полуфар- фор, фарфор, терракота, керметы, корундовая и сверхтвердая керамика и так называе- мая каменная масса. Фаянс, полуфарфор и фарфор получают на основе жгущихся белых глин, каолинов, кварца и полевого шпата, взятых в различных соотношениях. Они обладают различной пористостью, что определяет механические свойства и водопоглощение. Водопоглощение фаянса 10–12%, предел прочности при сжатии обычно до 100 МПа. Полуфарфор по срав- нению с фаянсом имеет более спекшийся черепок (водопоглощение 3–5%), и его проч- ность выше (σ сж =150–200 МПа). Фарфор отличается еще большей плотностью (водопо- глощение 0,2–0,5%) и прочностью (σ сж до 500 МПа), что позволяет изготовлять из него тонкостенные изделия. Терракота – керамические изделия (облицовочные плиты, архитектурные детали, посуда и т.д.) с пористым черепком, обычно красного, коричневого или кремового цветов. Керметы (керамико-металлические материалы) – искусственные материалы, полу- чаемые спеканием металлических и керамических порошков, сочетающие свойства ме- таллов и керамических веществ. Изделия из кермета – детали турбин и авиационных дви- гателей, режущий инструмент и др. Корундовая керамика (минералокерамика) – это керамика на основе спеченного ок- сида алюминия, содержащего не более 2% примесей. Сверхтвердая керамика – композиционный материал, получаемый на основе нитри- да бора. По составу кристаллической фазы различают керамику из чистых оксидов (А1 2 O 3 , ZrO 2 , МgO, ВеО, СаО и др.) и бескислородную (SiC, ТiВ 2 , ZrВ 2 , ВN, Si 3 N 4 , МоSi 2 ). По структуре (характеру строения черепка) керамика делится на плотную (ρ=1–2%) и пористую (ρ=15–20%). Пористые керамики поглощают более 5% воды (по массе), а плотные 1–4% по массе или 2–8% по объему. Пористую структуру имеют кирпич, блоки, 3 черепица, дренажные трубы и др.; плотную – плитки для полов, канализационные трубы, санитарно-технические изделия. К числу новых по структуре керамических материалов следует отнести волокнистые керамические материалы, получаемые спеканием, например, аморфного кварцевого во- локна. Керамику с плотной структурой используют в качестве вакуумной, пористую и во- локнистую – как термоизоляционный материал и материал для высокотемпературных жидкостных и газовых фильтров. По назначению керамику делят на конструкционную, инструментальную, техниче- скую и бытовую. Конструкционная керамика производится как строительная и ма- шиностроительная. В строительстве конструкционную керамику используют как долговечный материал, стойкий против износа, нагрева и агрессивных сред. По назначению строительные ке- рамические материалы и изделия делят следующие виды: 1. Кирпич обыкновенный, кирпич и камни пустотелые и пористые, крупные блоки и стеновые панели из кирпича и камней. Основные свойства керамических кирпичей: . плотность сплошного кирпича – 1600–1900 кг/м 3 ; • теплопроводность сплошного кирпича – 0,7–0,82 Вт/(м·°С); • по плотности и теплотехническим свойствам керамические кирпичи делят на три группы: эффективные – с высокими теплотехническими свойствами плотностью не более 1400–1450 кг/м 3 ; условно-эффективные – плотностью 1450–1600 кг/м 3 ; обыкновенный кирпич–плотностью свыше 1600 кг/м 3 ; • водопоглощение кирпича марки выше 150 должно быть не менее 6%, а других ма- рок – не менее 8% (это требует определенной пористости кирпича, иначе он станет слиш- ком теплопроводным и будет плохо сцепляться со строительным раствором); предел прочности на сжатие определяет марку – 250, 300 и т.д.; • морозостойкость кирпича должна быть не менее 15 циклов попеременного замора- живания и оттаивания (предусмотрены и более высокие марки по морозостойкости – Р 25, 35 и 50). Кирпич не должен иметь механических повреждений и сквозных трещин. На од- ном кирпиче допускается не свыше двух отбитостей ребер и углов размером по длине ребра не более 15 мм. На отдельных кирпичах может быть допущена одна сквозная тре- щина протяженностью не более 30 мм по ширине кирпича. Керамический кирпич применяют преимущественно для кладки стен зданий, изго- товления сборных стеновых панелей, кладки печей и дымовых труб. 2. Пустотелые камни, балки и панели из пустотелых камней. Пустотелые элементы перекрытийвключают: • камни для армокерамических балок плотностью не более 1300 кг/м 3 ; • камни для часторебристых перекрытий плотностью не более 1000 кг/м 3 ; • камни для накатов плотностью до 1000 кг/м 3 3. Кирпич и камни керамические лицевые, ковровая керамика, плитки керамические фасадные. Фасадные керамические изделия применяют для облицовки фасадных поверхностей стеновых панелей, блоков, цоколей зданий, лоджий, для отделки архитектурных элемен- тов фасада зданий – поясов, карнизов – и создания декоративных панно. Для отделки сборных конструкций на заводах используют коврово-мозаичные плитки размерами 48x48 и 22x22 мм толщиной 2–4 мм, плитки типа «кабанчик» размером 120x65x7 мм, типа брекчии – ковры, набранные из плиточного боя. Для облицовки готовых кирпичных и бе- тонных стен применяют глазурованные и неглазурованные крупноразмерные (250x140x10 мм) и цокольные (150x75x7 мм) плиты. Эти плиты должны иметь спекшийся черепок и водопоглощение не более 5%. 4 Лицевые кирпичи и керамические камни применяют для кладки и одновременной облицовки наружных и внутренних стен зданий, возводимых из штучных изделий (кирпи- ча, камня). Подобрав состав керамической массы и, регулируя режим отжига, можно по- лучить кирпич белого, кремового, коричневого цветов. Выпускают лицевые кирпи- чи и керамические камни с гладкой, а также рельефной или офактуренной лицевой по- верхностью. На лицевой грани не допускаются трещины и отколы. Керамические облицовки относятся к числу наиболее экономичных наружных обли- цовок. 4. Плиты и плиткидля стен и полов. Керамические плитки для внутренней облицовки внутренней облицовки стен изго- тавливаются с пористой структурой, лицевая поверхность их покрывается глазурью, кото- рая придает плиткам водонепроницаемость и стойкость против воздействия слабых рас- творов кислот и щелочей. Для внутренней облицовки стен выпускают разнообразные по форме плитки: квадратные (150x150 мм), прямоугольные с прямыми кромками (150x100 и 150x75 мм). Плитки изготавливаются плоскими, рельефными, орнаментированными, с цветными рисунками. Керамические плитки для полов изготавливают из тугоплавких и огнеупорных као- линовых глин с различными добавками и, если требуется, окрашивающих примесей. Полы из керамических плиток практически водонепроницаемы, характеризуются малой истира- емостью, не дают пыли, легко моются, стойки к действию кислот и щелочей. Недостатком плиток является большая теплопроводность (полы холодные), не позволяющая применять их в жилых помещениях. Плитки изготавливают квадратные, прямоугольные, шести- гранные, восьмигранные, треугольные; длина граней 50–150 мм и толщина 10–13 мм. Керамические санитарно-технические изделия изготовляют из фаянса, полуфарфора и фарфора. Из фаянса преимущественно методом литья производят унитазы, умывальники, смывные бачки, ванны и др. Полуфарфор и фарфор применяются для производства более тонкостенных изделий. Поверхность санитарно-технических изделий обязательно покрывается глазурью, что придает им водонепроницаемость. Изделия санитарно-технической керамики белые, иногда светло-желтые, должны иметь правильную форму, ровную, гладкую и чистую по- верхность без искривлений, равномерно покрытую глазурью; они должны быть хорошо обожжены. 5. Керамическая черепица. Керамическая черепица должна выдерживать не менее 25 циклов попеременного замораживания и оттаивания в насыщенном водой состоянии. 6. Дренажные и канализационные трубы. Дренажные трубы производят из кирпичных высокопластичных глин. Для этих труб водопоглощение черепка допускается не более 15%, морозостойкость – не ниже 15 циклов. Промышленность выпускает гладкие неглазурованные трубы без раструбов или глазурованные с раструбом и перфорацией на стенках. Применяют трубы при мелиоративных работах, а также при осушении. 5 Канализационные трубы изготовляют из пластичных огнеупорных или тугоплавких глин. Они должны выдерживать гидростатическое давление не менее 0,2 МПа. Водопо- глощение черепка труб: не более 9% для I сорта и 11% для II сорта. Поверхность труб снаружи и внутри покрывают кислотостойкой глазурью. Длина канализационных труб 800–1200 мм, внутренний диаметр 150–600 мм. Эти трубы на одном конце имеют раструб. Канализационные трубы применяют для отвода сточных и щелочных вод. 7. Теплоизоляционные, огнеупорные, кислотоупорные и другие изделия. Для высокотемпературной теплоизоляции различных промышленных печей и тепло- вых агрегатов используют волокнистые керамические материалы – алюмосиликатные во- локна, обладающие высокой прочностью, термической стойкостью и малой теплопровод- ностью. Волокнистые керамические материалы способны по сравнению с кремнеземными (близкими по свойствам) материалами длительно выдерживать температуры 1650– 1700 °С, не боятся примесей и обладают в 2–2,5 раза более высокой прочностью. Основ- ными недостатками, сдерживающими применение волокнистых материалов, являются низкие прочность и коррозионная стойкость и заметное пылевыделение, что требует ис- пользования специальных объемных и поверхностных покрытий (высокотемпературные коррозионно-стойкие терморегулирующие покрытия). Керамические огнеупорные изделия получают отливкой из расплава или обжигом минеральной смеси. Большинство керамических огнеупорных изделий (огнеупоров) – это керамика на основе SiO 2 , А1 2 0 3 , МgO, ZrO, а так же на основе SiO, Si 3 N 4 и других бескис- лородных соединений. Возможные температуры эксплуатации оксидов, карбидов, бори- дов и нитридов 1600–2500 °С, жаропрочных сталей и сплавов – 800–120 °С, молибдена – 1500 °С, вольфрама – 1800 °С. Наибольшее распространение в строительстве и промыш- ленности строительных материалов получили кремнеземистые и алюмосиликатные огне- упорные изделия. Керамические огнеупорные изделия классифицируют по огнеупорности, пористо- сти, химикоминеральному составу и способу изготовления. По огнеупорности керамические огнеупорные изделия могут быть огнеупорными (1580–1770 °С), высокоогнеупорными (1700–2000 °С) и высшей огне- упорности (более 2000 °С). В зависимости от пористости керамические огнеупорные из- делия подразделяются на особо плотные огнеупоры–пористость менее 3%, высокоплотные огнеупоры–пористость 3–10%, плотные огнеупоры–пористость 0– 20%, обычные огнеупоры–пористость 20–30%, легковесные огнеупоры (теплоизоляцион- ные) – пористость 45–85%. Керамические огнеупорные изделия применяют для строительства промышленных печей, топок и аппаратов, работающих при высокой температуре. К химически стойкой керамике относится глиношамотная керамика с грубозерни- стой структурой, а также фарфор. Керамические кислотоупорные изделия должны обла- дать кислотостойкостью, которая характеризует их нерастворимость в кислотах (за ис- ключением плавиковой кислоты) и щелочах. Такие изделия изготавливают из глин, не со- держащих примесей, понижающих химическую стойкость (карбонаты, гипс, серный кол- чедан и т.п.). 6 К керамическим кислотоупорным изделиям относят: • кислотоупорный кирпич марок 150–250 кислотостойкостью не менее 92–96%, во- допоглощением не более 8–12%, термостойкостью не менее двух теплосмен; • плитки кислотоупорные и термокислотоупорные марки 300 кислотостойкостью 96–98%, водопоглощением не более 6–9%, термостойкостью не менее 2–8 теплосмен; • трубы и фасонные части к ним марок 300–400 кислотостойкостью не ниже 97– 98%, водопоглощением не более 3–5%. Кислотоупорный кирпич и плитки служат для фу- теровки башен и резервуаров на химических предприятиях, а также печей для обжига сер- ного колчедана, для устройства полов в цехах с агрессивными средами и т.п. Керамиче- ские кислотоупорные трубы применяют для перекачки неорганических и органических кислот и газов при разрежении или давлении до 0,3 МПа. 8. Дорожный (клинкерный) кирпич. Дорожный кирпич вырабатывают из тугоплав- ких глин, обжигая их до спекания. Дорожный кирпич имеет марки 400, 600 и 1000. Его водопогло-щение должно быть 2–6%, морозостойкость–50– 100 циклов попеременного замораживания и оттаивания. Дорожный кирпич можно применять для мощения дорог и тротуаров, устройства полов промышленных зданий, кладки канализационных коллекто- ров. 9. Керамзит. Заполнители для легких бетонов Искусственный пористый заполнитель типа гравия для легких бетонов. Размер зерен 5–40 мм. Получают обжигом легкоплавких вспучивающихся глин. Из машиностроительной керамики изготовляют поршни и головки блоков цилиндров (Si 3 N 4 ), свечи зажигания (А1 2 О 3 ), лопасти газовых турбин (Мо81 2 ), вакуумстойкий сма- зочный материал (МоS 2 ) и др. Как инструментальный материал используется корундовая и сверхтвердая кера- мика. Корунд известен в технике природными и синтетическими разновидностями. При- родные разновидности корунда – рубин, сапфир, топаз, аквамарин, синтетические – ко- рундовая керамика, среди изделий которой – микролит и электрокорунд. Наиболее рас- пространенное корундовое изделие–микролит (марка ЦМ-332) – получают спеканием при 1710–1750 °С смеси тонкомолотого технического глинозема и оксида магния. Микролит по свойствам превосходит другие инструментальные материалы: плотность – до 3960 кг/м 3 ; σ сж =5000 МПа, твердость – 92–93 НRА. Он обладает значительно большей красно- стойкостью (до 1200 °С), твердостью и режущей способностью, чем быстрорежущие ста- ли и твердые сплавы. Резцы с пластинками из микролита используют для обработки сталей, чугунов, цвет- ных металлов, неметаллов (графита, дерева, пластмасс и др.). Из микролита изготавлива- ют также фильеры, сопла песко- и дробеструйных аппаратов, волоки и другие детали, ра- ботающие на истирание при наиболее высоких температурах. Недостатки микролита – высокая хрупкость и затрудненность крепления пластинок к державкам. 7 Электрокорунд (корракс) – корундовая керамика из спеченного оксида алюминия с добавками Сr 3+ , Fе 3+ , получаемая плавкой в электрических печах глиноземсодержащего сырья, имеющего не более 2% примесей. Электрокорунд по твердости уступает лишь алмазу и имеет температуры плавления 1750–2050 °С. Электрокорунд широко используют в светотехнике (вместо нитей накали- вания), в приборостроении (часовые камни и др.), в лазерах как излучающий элемент, в теплотехнике как огнеупорный материал и для изготовления литейных форм и стержней. Сверхтвердые керамические материалы – композиционные керамические материа- лы, получаемые введением различных легирующих добавок и наполнителей в исход- ный нитрид бора. Структура таких материалов образована прочно связанными мельчай- шими кристаллитами и, следовательно, они являются синтетическими поликристалличе- скими материалами. Нитрид бора (боразан), имеющий алмазоподобное строение, является заменителем алмаза, стоек к окислению до 2000°С (алмаз начинает окисляться при 800°С). К группе сверхтвердых керамических материалов относятся композит 01 (эльбор-Р), композит 02 (белбор), композит 10 (гексанит-Р), а также поликристаллический нитрид бора. Сверхтвердые керамические материалы используются для изготовления режущих пластин к инструментам для чистовой обработки труднообрабатываемых материалов и закаленной стали (более 55 НRС). К технической керамике относятся электро- и радиотехническая керамика, керме- ты, абразивные керамические материалы, пенокерамика и др. По электрическим свойствам керамику подразделяют на собственно электротехни- ческую, применяемую при частотах до 20 тыс. Гц, и радиотехническую, используемую преимущественно при высоких (более 20 тыс. Гц) частотах. Электротехническая керамика по области применения делится на изоляторную (установочную), конденсаторную (сегнетоэлектрики) и пьезо-керамику. Изоляторная керамика должна иметь низкие потери, хорошие электроизоляционные свойства и прочность. Ведущую роль играет электрофарфор, в котором основные виды кристаллов представляют муллит 3А1 2 O 3 ·SiO 2 и SiO 2 . Изоляторная керамика применяется для изготовления изоляторов, колодок, плат, каркасов катушек и др. Конденсаторная керамика должна иметь большую диэлектрическую проницаемость, малые потери и температурный коэффициент. Основу конденсаторной низкочастотной сегнетокерамики составляют твердые растворы титанатов бария (ВаТiO 3 с добавками Zr– СМ1), кальция (СаТiO 3 ) и стронция (SrТiO 3 –Т-7500), а также станнат стронция (SrSnO 3 – ВК-1) для варикондов. Высокочастотная конденсаторная керамика изготовляется на осно- ве рутила ТiO 2 (тиконд Т-80), титанатов кальция (СаТiO 3 – тиконд Т-150), циркония (ZrТiO 3 – термоконд Т-20) и станнатов (станнатная керамика) кальция СаSnO 3 и магния, МgSnO 3 и др. Использование конденсаторной керамики увеличивает надежность работы и теплостойкость конденсаторов и уменьшает их размеры. Пьезокерамика – керамические материалы с пьезоэлектрическими свойствами. Структура пьезокерамики – твердые растворы на основе титанита бария (ТБС и ТБКС), 8 ниобата бария (НБС) и ниобата и титаната свинца (НТС). Для НТС продольный пьезомо- дуль d33 до 7·10 -10 К/Н, ε=400–1700, максимальная температура эксплуатации 250 °С. Пьезокерамику применяют для устройств генерации и приема ультразвука; датчиков давления, ускорения, вибрации, в системах зажигания двигателей, в трансформаторах и др. В качестве радиотехнической высокочастотной керамики используется радиофарфор (муллит 3А1 2 0 3 ·SiO 2 ), корундомуллитовая керамика КМ-1 (муллит и корунд А1 2 0 3 ), уль- трафарфор (3А1 2 0 3 ·SiO 2 и А1 2 0 3 ), алюминоксид А1 2 0 3 , стеатит МgO·SiO 2 , цельзиан ВаО ·А1 2 0 3 ·SiO 2 , поликор и микропит. Миниатюризация электронной, вычислительной и СВЧ аппаратуры потребовала со- здания материалов с тангенсом угла диэлектрических потерь 0,0001–0,0002, в частности нитридов бора и кремния и композиций на их основе. Причем имеется много возможно- стей варьирования их свойств путем изменения химического состава и структуры, а также технологии получения изделий. Абразивные керамические материалы (абразивы) –вещества повышенной твердости, применяемые вмассивном или измельченном состоянии для механической обработки (шлифования, резания, истирания, заточки, полирования и т.д.) других материалов. Есте- ственные абразивные материалы – кремень, наждак, пемза, корунд, гранат, алмаз и др.; искусственные абразивные материалы – электрокорунд, карбид кремния, боразон, элъбор, синтетический алмаз и др. По убыванию абразивной способности эти материалы распо- лагаются так: синтетический алмаз, кубический нитрид бора, карбид бора, карбид крем- ния, карбид титана и электрокорунд. В настоящее время разрабатываются новые аб- разивные материалы на основе боридов и карбидов переходных металлов, а также ти- па белбора. Основные характеристики абразивных материалов: твердость, прочность и износ, размер и форма абразивного зерна, абразивная способность, зернистость. С увеличением прочности этих материалов улучшается сопротивляемость усилиям резания, так как со- противление сжатию у них в несколько раз больше, чем сопротивление растяжению. Прочность абразивных материалов на растяжение и сжатие снижается с повышением тем- пературы шлифования. Измельченный и классифицированный абразивный материал называ- ют шлифовальным. Зернистость шлифовальных материалов определяется размером абра- зивных зерен, т.е. группой материалов по ГОСТ 3647–80: шлиф-зерно, шлифпорошки, микрошлифпорошки и тонкие микрошлифпорошки. Обозначение зернистости дополняют индексами В, П, Н и Д, которые характеризуют процентное содержание (массовую долю) основной фракции (36–60%). Абразивные керамические материалы используются как в несвязанном виде (порош- ки, пасты, суспензии), так и в связанном (бруски, шлифовальные шкурки, круги, головки и др.). |