Стеклообразные и керамические конструкционные материалы Стекло строение, получение, обработка, применение

• Название: Стеклообразные и керамические конструкционные материалы Стекло строение, получение, обработка, применение
• Дата: 30.05.2021
• Размер: 62.75 Kb.
• Имя файла: 2_5278224428340088373.docx
• Тип: Документы; #211726

Стеклообразные и керамические конструкционные материалы

Стекло: строение, получение, обработка, применение.

Стекло – в основном прозрачный аморфный материал, представляющий собой смесь оксидов металлов и неметаллов. Структура стекла соответствует структуре жидкости в интервале стеклования. В настоящий момент существует около почти полутора десятков гипотез строения стекла. Уже были кристаллиты, беспорядочная сетка, полимерное строение, полимерно-кристаллитное строение, ионная модель, паракристаллы, структоны, витроиды, стеклоны, микрогетерогенность, субмикронеоднородность, химически неоднородное строение, мицеллярная структура, и другие названия, возникновение которых продиктовано потребностью истолкования результатов одного или нескольких частных экспериментов. В отличие от кристаллических твёрдых тел (все атомы упакованы в кристаллическую решетку), в стеклообразном состоянии такой дальний порядок расположения атомов отсутствует. Стекло нельзя назвать и сверхвязкой жидкостью, обладающей лишь ближним порядком — взаимным упорядочением только соседних молекул и атомов. Для стёкол характерно наличие так называемого среднего порядка расположения атомов — на расстояниях, лишь немногим превышающих межатомные. По химическому составу стекла обычно представляют собой сложные системы окислов. Наиболее распространенными техническими стеклами являются силикатные на основе SiO2. Стекла подразделяются на 1) щелочные (оконные, бутылочные и т.п.), содержащие окислы натрия и калия; 2) щелочные с высоким содержанием окислов тяжелых металлов (PbO, BaO); стекла с большим содержанием PbO называют флинтами, а с большим содержанием BaO – кронами; 3) бесщелочные – кварцевое стекло, представляющее собой чистую двуокись кремния SiO2.

Типы стекла по назначению:

Оптическое стекло применяется в изготовлении линз очков и медицинских приборов. Имеется семь сортов класса крон и семь сортов флинтов, что позволяет подобрать стекла с нужным показателем преломления от 1,47 (легкий крон) и до 1,75 – тяжелый флинт. Очковые стекла изготавливают из стекла класса крон с показателем преломления nD=1.52.

Электровакуумные стекла используют для изготовления баллонов и ножек осветительных ламп, различных электронных приборов. Важнейшее требование к таким стеклам – очень близкие коэффициенты термического расширения у спаиваемых друг с другом стекла и металла.

Изоляторные стекла используют в производстве различных изоляторов: линейных, в том числе штыревых и подвесных, станционных — опорных и проходных (вводы), телеграфных, антенных и др. Электрическая емкость стеклянных изоляторов, и в частности подвесных, больше, чем фарфоровых. Конденсаторные стекла служат для изготовления электрических конденсаторов, используемых в импульсных генераторах и в качестве высоковольтных фильтров. Для этих изделий необходимо, чтобы у стекол были высокие значения Епр и ε, а у стекол для высокочастотных конденсаторов, кроме того, еще и малые значения tg δ.

Стеклоэмали — это стекловидные покрытия (стекла), наносимые на поверхности металлических и керамических изделий с целью создания электрической изоляции, защиты от воздействия влаги, коррозии, а также для придания определенной окраски и улучшения внешнего вида. Для стойкости стеклоэмали к термоударам необходимо, чтобы ее ТКЛР и ТКЛР материала, на поверхность которого наносят стеклоэмаль, были примерно равны. Стеклоэмаль для керамических изделий называют глазурью.

Стекловолокно получают из расплава стекла, чаще из бесщелочного алюмоборосиликатного. Это стекло обладает лучшими электрическими характеристиками, большей химостойкостью и большей (на 20—25 %) механической прочностью при растяжении, чем щелочные алюмосиликатные стекла. Образующиеся тонкие (4—7 мкм) волокна используют для изготовления изоляции монтажных и обмоточных проводов, микропроводов, стеклянных тканей (и лент), используемых в производстве нагревостойких стеклолакотканей и стеклотекстолитов. Короткое стекловолокно применяют в качестве наполнителя в пресс-материалах. Применяют стекловолокно также для изготовления стеклянной ваты, матов и изделий волоконной оптики — световодов, которые в настоящее время широко используют в качестве оптоволоконных кабелей в вычислительной технике и в электрической связи.

Ситаллы — это поликристаллический непрозрачный материал, полученный путем направленной кристаллизации стекол специального состава. Степень кристалличности ситаллов может составлять 30—95 %, а размер кристаллитов 0,01—2 мкм, усадка при кристаллизации достигает 2 %. Название «ситалл» произошло от сокращения слов «силикат» и «кристалл». При изготовлении ситаллов в стекломассу вводят специальные добавки, служащие для образования центров (зародышей) кристаллизации. В зависимости от природы введенной добавки и последующей технологии кристаллизации различают термоситаллы и фотоситаллы.

Термоситаллы образуются в результате двухступенчатой термообработки. На первой стадии термообработки (при 500—700 °С) происходит образование центров кристаллизации, на второй (при 900—1100 °С) - кристаллизация самой стекломассы. В качестве стимуляторов процесса кристаллизации обычно используют ТiО2, FeS, фториды и фосфаты щелочных и щелочно-земельных металлов.

Фотоситаллы образуются (кристаллизуются) в результате УФ-облучения с последующей низкотемпературной обработкой. В качестве стимуляторов кристаллизации используют коллоидные частицы Ag, Аu, Сu и другие, выделяющиеся из соответствующих окислов под влиянием облучения и образующие центры кристаллизации.

Ситаллы используют в качестве подложек для тонкопленочных и гибридных микросхем, опор для крепления разрядников

Пеностекло, триплекс. – пеностекло – добавить в стекло воздух или другой газ. Будет легче и теплее, но менее прочно. Триплекс – бутерброд из двух листов стекла и полимерной пленки. Устойчиво к разбиванию и не дает осколков.

Производство стекла называется стекловарением. Сначала готовят смесь порошкообразных ингредиентов – шихту. В качестве основы для шихты практически всего современного стекла используется оксид кремния – кварц, кроме того, основной может быть оксид свинца, оксид бора (боросиликатные стекла) и др. Для уменьшения температуры плавления в кварц добавляют оксиды щелочных металлов (натрия, калия, лития и т.п.). В шихту добавляют также осветлители (сульфат натрия, оксиды мышьяка и сурьмы, свинцовый сурик) для удаления из стекломассы газовых включений типа «пузырей» и «мошки» (скопления мелких пузырей). Обесцвечиватели (селитра, селен, пероксид марганца, оксид кобальта) препятствуют окрашиванию стекла оксидами железа, содержащимися в исходных материалах. Восстановители — кокс, древесный уголь, древесные опилки или окислители — натриевая или калиевая селитра — создают в процессе варки стекла восстановительную или окислительную среду. После этого шихту нагревают, и начинается стекловарения. Процесс стекловарения слагается из пяти стадий. На первой стадии происходит силикатообразование — из шихты удаляется влага и протекают химические реакции взаимодействия кислотных оксидов с основными; это приводит к образованию сложных комплексных силикатов. Силикатообразование заканчивается при температуре 800 — 900°С. На второй стадии (при 1200 — 1400°С) происходит стеклообразование - силикаты расплавляются и растворяются друг в друге; при этом образуется жидкая прозрачная стекломасса. На третьей стадии происходит осветление — дегазация. Стекломасса освобождается от газовых включений. Источниками газовых включений могут быть газы, химически связанные с компонентами шихты, а также газы и пары воды, образующиеся при сгорании пламени или находящиеся в атмосфере печи. Осветление улучшается по мере увеличения продолжительности и температуры варки и усиления интенсивности перемешивания стекломассы. На четвертой стадии происходит гомогенизация — придание стекломассе химической однородности. Интенсивная взаимная диффузия компонентов стекломассы способствует выравниванию их концентраций и ликвидации неоднородностей в ней. Пятая стадия — охлаждение (студка). При постепенном снижении температуры до 950 —1150°С повышается вязкость стекломассы до значений, при которых возможна выработка различных изделий. После студки проводят выработку (формование) из еще горячей стекломассы материалов и изделий; термическую, механическую или химическую обработку изделий для улучшения свойств.

Типичные методы формообразования:

Метод вытягивания применяют для получения стекла толщиной 2...6 мм, для чего используют машины вертикального (4.1) или горизонтального вытягивания. Лента стекла вытягивается из стекломассы вращающимися валками машины через лодочку (огнеупорный брус с прорезью) или со свободной поверхности стекломассы (безлодочный способ), охлаждается и отжигается в камере этой же машины. При производстве стекла методом непрерывного проката стекломасса сливается на гладкую поверхность и ее прокатывают валками с гладкой или узорчатой поверхностью. Флоат-способ работает на поверхности расплавленного металла. Плоскость стекла, соприкасающаяся с поверхностью металла, получается ровной и гладкой и не требует дальнейшей полировки. Кроме этого, для производства стекловолокна применяют метод вытягивания с помощью фильер малого диаметра. Для получения пустотелых изделий используется дутье, горячая штамповка и горячее прессование применяются для производства изделий массового потребления.

Закрепление формы изделия осуществляют быстрым охлаждением. При этом вследствие низкой теплопроводности стекла возникают большие перепады температур, вызывающие внутренние напряжения в стеклоизделии (закалка стекла). Поэтому обязательная операция после формования — отжиг, т. е. охлаждение изделий по специальному ступенчатому режиму: быстрое — до начала затвердевания стекломассы, очень медленное — в момент перехода стекла от пластического состояния к хрупкому (собственно отжиг) и вновь быстрое — до нормальной температуры. Отжиг может производиться сразу при формировании изделий или после повторного нагрева до температуры начала размягчения.

Керамика: строение, получение, обработка, применение.

Кера́мика (др.-греч. κέραμος — глина) — изделия из неорганических материалов (например, глины) и их смесей с минеральными добавками, изготавливаемые под воздействием высокой температуры с последующим охлаждением. Керамика получается в результате обжига формовочной массы заданного химического состава из минералов и оксидов металлов. Многие керамические материалы имеют высокую механическую прочность и нагревостойкость, высокие электрические характеристики, отсутствие механических деформаций при длитель­ном приложении нагрузки, большую, чем у органических материалов, устойчивость к электрическому и тепловому старению При температурах выше 1000°С керамика прочнее любых сплавов, в том числе и суперсплавов, а ее сопротивление ползучести и жаропрочность выше. . Керамика состоит из стеклообразной и кристаллической фазы (и немного газовой, в виде пор). Соотношение этих фаз определяет прочностные и другие свойтсва керамики и определяется режимом обжига и составом. Принципиальными недостатками керамики являются ее хрупкость и сложность обработки. Керамические материалы плохо работают в условиях механических или термических ударов, а также при циклических условиях нагружения. Им свойственна высокая чувствительность к надрезам. В то же время керамические материалы обладают высокой жаропрочностью, превосходной коррозионной стойкостью и малой теплопроводностью, что позволяет с успехом использовать их в качестве элементов тепловой защиты.Типы керамики:

В узком смысле слово керамика обозначает глину, прошедшую обжиг.

Электротехническая керамика. Керамика, применяемая в электротехнике и электронике. Отличается высокими диэлектрическими свойствами (пассивная) или способностями к поляризации и пъезоэффекту (активная керамика). Примеры (только часть):

Электротехнический фарфор, используемый в производстве изоляционных элементов с рабочим напряжением до 1150 кВ переменного и до 1500 кВ постоянного тока. Основными компонентами фарфора являются минералы - глинистые вещества (каолин и глина, кварц, полевой шпат, гипс, пегматит). Электроизоляционные свойства фарфора при нормальной температуре позволяют использовать его при низких частотах, но при высокой температуре это невозможно.

Стеатитовая керамика изготовляется на основе тальковых минералов, основной кристаллической фазой которых является метасиликат магния MgO·SiO2,. Стеатитовые материалы характеризуются высокими значениями ρ, в том числе при высокой температуре, малым tgδ.

Радиофарфор представляет собой фарфор, стекловидная фаза которого облагорожена введением в нее тяжелого оксида ВаО.

Ультрафарфор различных марок характеризуется большим со­держанием Аl203 и является усовершенствованным радиофарфором. Ультрафарфор имеет по сравнению с обычным фарфором повы­шенную механическую прочность и теплопроводность.

Поликор, имеющий особо плотную структуру (близкую к теоре­тической для Аl203), обладает оптической прозрачностью и при­меняется для изготовления колб некоторых специальных источни­ков тока.

Высококачественная конструкционная керамика

Конструкционная керамика, керамич. материалы, обладающие повышенной мех., термич. и хим. стойкостью. По хим. составу разделяют на нитридную, карбидную и оксидную. Наиб. применение находит конструкционная керамика на основе Si3N4, SiC и ZrO2. Конструкционная керамика обладает высокой прочностью и жаропрочностью, при 20 °С средняя σраст350 МПа. Разнообразие физических и химических свойств делает ее одним из самых перспективных материалов, который может стать отличной альтернативой металлам. Изделия из конструктивной керамики отличаются стойкостью к износу, высоким температурам и химическим воздействиям. Данный материал проявляет свои лучшие качества в экстремальных условиях – при воздействии агрессивной среды и интенсивных механических нагрузках. Примеры применения конструкционной керамики:

Режущий керамический инструмент. Режущая керамика характеризуется высокой твердостью, в том числе при нагреве, износостойкостью, химической инертностью к большинству металлов в процессе резания. По комплексу этих свойств керамика существенно превосходит традиционные режущие материалы – быстрорежущие стали и твердые сплавы. Для изготовления режущего инструмента широко применяется керамика на основе оксида алюминия с добавками диоксида циркония, карбидов и нитридов титана, а также на основе бескислородных соединений – нитрида бора с кубической решеткой, обычно называемого кубическим нитридом бора, и нитрида кремния Si3N4. Режущие элементы на основе кубического нитрида бора в зависимости от технологии получения, выпускаемые под названиями эльбор, боразон, композит 09 и др., имеют твердость, близкую к твердости алмазного инструмента, и сохраняют устойчивость к нагреву на воздухе до 1300 – 1400°С. В отличие от алмазного инструмента кубический нитрид бора химически инертен по отношению к сплавам на основе железа. Его можно использовать для чернового и чистового точения закаленных сталей и чугунов практически любой твердости. Режущие керамические пластины используются для оснащения различных фрез, токарных резцов, расточных головок, специального инструмента.

Керамические двигатели. Конструкционная керамика допускает применение более высоких температур по сравнению с металлом и поэтому является перспективным материалом для двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных двигателей. Помимо более высокого КПД двигателей за счет повышения рабочей температуры преимуществом керамики является низкая плотность и теплопроводность, повышенная термо- и износостойкость. Кроме того, при ее использовании снижаются или отпадают расходы на систему охлаждения. Конструкционной керамике для газотурбинных двигателей в отличие от адиабатного двигателя не требуется низкая теплопроводность. Учитывая, что керамические детали газотурбинных двигателей работают при более высоких температурах, они должны сохранять прочность на уровне 600 МПа при температурах до 1470 – 1670 К (в перспективе до 1770 – 1920 К) при пластической деформации не более 1 % за 500 ч работы. В качестве материала для таких ответственных деталей газотурбинных двигателей, как камера сгорания, детали клапанов, ротор турбокомпрессора, статор, используют нитриды и карбиды кремния, имеющие высокую теплостойкость.

Керамика специального назначения. К керамике специального назначения относятся сверхпроводящая керамика, керамика для изготовления контейнеров с радиоактивными отходами, броневой защиты военной техники и тепловой защиты головных частей ракет и космических кораблей.

Ударопрочная броневая керамика. По своей природе керамические материалы являются хрупкими. Однако при высокой скорости нагружения, например в случае взрывного удара, когда эта скорость превышает скорость движения дислокаций в металле, пластические свойства металлов не будут играть никакой роли и металл будет таким же хрупким, как и керамика. В этом конкретном случае керамика существенно прочнее металла. Важными свойствами керамических материалов, обусловивших их применение в качестве брони, является высокие твердость, модуль упругости, температура плавления (разложения) при в 2 – 3 раза меньшей плотности. Сохранение прочности при нагреве позволяет использовать керамику для защиты от бронепрожигающих снарядов. Наиболее высокие защитные свойства имеют материалы на основе карбида бора. Их массовое применение сдерживается высокой стоимостью метода прессования. Поэтому плитки из карбида бора используют при необходимости существенного снижения массы броневой защиты, например для защиты кресел и автоматических систем управления вертолетов, экипажа и десанта. Керамику из диборида титана, имеющую наибольшую твердость и модуль упругости, применяют для защиты от тяжелых бронебойных и бронепрожигающих танковых снарядов.

Керамика в ракетно-космическом машиностроении. При полете в плотных слоях атмосферы головные части ракет, космических кораблей, кораблей многоразового использования, нагреваемые до высокой температуры, нуждаются в надежной теплозащите. Материалы для тепловой защиты должны обладать высокой теплостойкостью и прочностью в сочетании с минимальными значениями коэффициента термического расширения, теплопроводности и плотности.

Технология производства керамики включает в себя три основных этапа:

Производство массы – процессы, позволяющие получить керамическую массу для формовки изделий. Если исходные материалы пластичны (много глины или др. материалов, способных образовать коллоид или суспензию), то их промывают, измельчают и смешивают, добавляя воду в качестве регулятора пластичности. Контролируя влажность, можно получить различную вязкость и использовать потом штамповку, прессование, литье и др. методы для формообразования. Если материалы непластичны (не растворяются в воде, не суспензия и т.п, например, корунд), после промывки и измельчения обязательно добавляется связка (парафин или другое), которая образует шликер и позволяет применять литье или прессование (после грануляции). Иногда при подготовке проводится проводится обжиг и повторное измельчение керамики. Все производство массы обычно проводится при комнатной температуре. Следует заметить, что чем больше непластичных компонентов, тем меньше усадка при обжиге, но тем больше трещин и риска развалиться.

Ф ормообразование – придание формы массе. Пластичная технология – любой метод (гончарный круг, пресс, шликерное литье), потом сушка или утильный обжиг для удаления воды или связки. Непластичная технология: только литье или прессование (если гранулы покрыты связкой), на крайняк – вакуумное литье. Связка не удаляется до окончания обжига. На этапе формообразования издлие может покрываться глазурью или краской на основе оксидов. Это делается после сушки и удаления связки. Для непластичной технологии глазурь наносится ПОСЛЕ обжига.

Обжиг – нагрев керамических изделий для формирования стекловидной фазы, которая скрепляет зерна кристаллической фазы и дает керамике устойчивость к воде. При обжиге происходит спекание зерен керамических материалов. При спекании зерна сближаются за счет образования жидкой фазы (механизм вязкого течения) или просто за счет поверхностной диффузии (при мелких зернах, механизм объемной диффузии), иногда за счет испарения – конденсации (механизм переноса через газовую фазу). В любом случае, это происходит из-за наличия избыточной поверхностной энергии. Одним из факторов, сильно ускоряющих процессы спекания является локальное появление в материалах жидкой фазы, например за счет образования микроэвтектик, что используется на практике в тех случаях, когда данное явление не приводит к нарушению заданного фазового состава. Перед обжигом (или при медленном нагреве во время обжига) изделия нужно просушить (удалить связку). Существуют следующие схемы обжига:

Однократный обжиг – изделие медленно нагревают до температуры образования стеклообразной фазы (700-2000 цельсия), выдерживают там, и медленно охлаждают. Качество отжига контролируют по свидетелям – конусам Зегера, которые загибаются в зависимости от температуры, и по спецкраскам, которые трескаются при превышении температуры. Обжиг считается выполненным на данный конус, если конус, деформируясь в процессе обжига, коснулся подставки, на которую он установлен. Конус изготовлен из масс, поведение которых схоже с поведением обжигаемого материала.Схема характерна для пластической технологии.

Двухстадийный обжиг. Сначала проводят утильный обжиг: обжигают высохшие изделия без глазури. Температуру выбирают в интервале 800 - 1000 о С. После первого обжига изделия приобретают прочность, однако остаются пористыми. Трещины в них достаточно легко выявить. Если изделия делались по непластичной технологии, утильный отжиг удаляет связку. Изделия после этого обжига называют утилем. Затем проводят второй обжиг. Температура зависит от вида керамики: рядовой столовый фарфор - 1300 - 1380 о С, санитарно-технический - 1250 - 1280 о С. Второй обжиг окончательно формирует структуру керамики и, таким образом, определяет все ее физико-химические свойства.

«Глазурованный» обжиг – изделия сушат, покрывают глазурью и обжигают. Годится для малопористой керамики с малым газовыделением.

При любом обжиге необходимо контролировать температуру (недогреешь – не спечется, перегреешь – будет не керамика, а куча оксидных камешков), равномерность нагрева (если отсутствует или недостаточна и изделия крупные – поломаются от температурного удара), нагрузку (нельзя ставить изделия в печь друг на друга, а то треснут), влажность перед обжигом (если большая – треснет от парообразования), усадку при обжиге (по загибу конусов, если не контролировать – изделия деформируются). После любого обжига надо дать изделиям медленно остыть и проконтролировать их на трещины по звуку или другим методом.

Примерные процессы, происходящие в фарфоре при обжиге:

Интервал, o C	Процесс
20 - 100	Удаление влаги из массы. Греть нужно медленно и, главное, равномерно. Чем толще стенки изделия, тем медленнее нагрев.
100 - 200	Удаление влаги из массы продолжается! Если приборы показывают 150 o C, это еще не значит, что изделие нагрелось до такой температуры, особенно в толще, особенно на толстой подставке. Глазурное покрытие претерпевает усадку. Выделяющиеся из объема изделия пары воды могут привести к растрескиванию и отлету покрытия. Из люстровых покрытий выделяются летучие органические соединения. Не форсируйте нагрев!
200 - 400	Выгорание органических веществ. Если по каким-то причинам их много, следует обеспечить хороший приток воздуха (деколи, люстры, связующее надглазурных красок и мастик).
550 - 600	Серьезное фазовое превращение кварца. Оно редко проявляется на стадии нагрева, а на стадии охлаждения может привести к т.н. "холодному" треску.
400 - 900	Разложение минералов глины. Выделяется химически связанная вода. Разлагаются азотнокислые и хлористые соли (если их использовали).
600 - 800	Начало расплавления свинцовых и других легкоплавких флюсов, надглазурных красок. При 750 - 800 o C в третьем декорирующем обжиге происходит размягчение поверхности глазури и впекание красок, золота и т.п. Выгорание сульфидов.
850 - 950	Разложение мела, доломита. Начало взаимодействия карбонатов кальция и магния с кремнеземом. Эти процессы сопровождаются выделениями углекислого газа. В целом завершены все превращения глинистых веществ. Их наиболее мелкие частицы уже спеклись и обеспечили заметную прочность черепка. К концу интервала - полное расплавление майоликовых глазурей.
1000 -1100	Интенсивное взаимодействие извести и кремнезема сопровождается появлением жидкой фазы (например, в известковом фаянсе), уплотнением и деформацией черепка. Начало размягчения полевых шпатов. Плавление нефелин-сиенита. Интенсивное разложение сульфатов, что сопровождается выделением сернистого газа.
1200 -1250	Интервал спекания беложгущихся глин, фаянсовой массы. Растворение кремнезема и каолинита в расплаве полевого шпата.
1280 - 1350	Процесс муллитообразования. Иглы муллита пронизывают фарфоровую массу, что в дальнейшем обеспечит ей высокую прочность и термостойкость. Превращение тонкодисперсного кварца в кристобаллит.
1200 - 1420	Этот температурный интервал характерен для фарфора. Здесь происходят процессы восстановления рыжих оксидов железа в более благородные голубые, если обеспечены соответствующие окислительно-восстановительные условия обжига. Температуры высоки, вязкости умеренные, очень быстро протекает диффузия: например, подглазурная роспись теряет четкость очертаний.
1420 - 1000	Ничего особенного в процессе охлаждения не происходит. И глазурь, и масса находятся в достаточно пластичном состоянии, поэтому охлаждать можно настолько быстро, насколько это позволяет печь. Если используются глазури, склонные к кристаллизации, медленное охлаждение или выдержка 1-10 часов в этом интервале приводит к росту кристаллов.
1000 - 700	Начинается окисление низших оксидов меди, марганца и др. металлов (если они использованы) в высшие. Недостаток кислорода в пространстве печи может дать поверхность с металлизацией. Если требуется восстановление - самое время для него. Восстановительную среду следует поддерживать чуть ли не до комнатных температур, как минимум до 250-300 o С.
900 - 750	И черепок, и глазурь перешли в хрупкое состояние и далее остывают как единое твердое тело. Если не согласованы КТР - возможен цек или отскок глазури и даже разрушение изделия.
600 - 550	Обратное фазовое превращение кварца с резким объемным изменением. Скоростной проход этого интервала может вызвать "холодный" треск.
300 - 200	Фазовое превращение кристобаллита. Он образовался, если в массе был очень тонкодисперсный кремнезем, при 1250 - 1300 o C. Не следует спешить открывать дверцу печи.
250 - 100	Охлаждение продолжается! В глубине ставки, в толстых частях изделий температура гораздо выше, чем в тонких кромках и чем показывает термопара. Дайте изделиям остыть равномерно.

Композиционные конструкционные материалы

Композиционные материалы (композиты) – Композиционными материалами (композитами) называют материалы, состоящие из сильно различающихся по свойствам друг от друга взаимно нерастворимых компонентов (отдельных волокон или других армирующих составляющих и связующей матрицы), обладающие специфическими свойствами, отличающимися от свойств компонентов. Композиты - многокомпонентные материалы, состоящие, как правило, из пластичной основы (матрицы), армированной наполнителями, обладающими высокой прочностью, жесткостью и т.д. Сочетание разнородных веществ приводит к созданию нового материала, свойства которого количественно и качественно отличаются от свойств каждого из его составляющих. Варьируя состав матрицы и наполнителя, их соотношение, ориентацию наполнителя, получают широкий спектр материалов с требуемым набором свойств. Многие композиты превосходят традиционные материалы и сплавы по своим механическим свойствам и в то же время они легче. Использование композитов обычно позволяет уменьшить массу конструкции при сохранении или улучшении ее механических характеристик.

Компонентами композитов являются самые разнообразные материалы – металлы, керамика, стекла, пластмассы, углерод и т.п. Известны многокомпонентные композиционные материалы – полиматричные, когда в одном материале сочетают несколько матриц, или гибридные, включающие в себя разные наполнители. Наполнитель определяет прочность, жесткость и деформируемость материала, а матрица обеспечивает монолитность материала, передачу напряжения в наполнителе и стойкость к различным внешним воздействиям.

Структура композиционных материалов. Основой композиционных материалов (матрицей) служат металлы или сплавы (композиционные материалы на металлической основе), керамики, а также полимеры, углеродные и керамические материалы (композиционные материалы на неметаллической основе). Матрица связывает композицию и придаёт ей форму. От свойств матрицы в значительной степени зависят технологические режимы получения композиционных материалов и такие важные эксплуатационные характеристики, как рабочая температура, сопротивление усталостному разрушению, воздействию окружающей среды, плотность и удельная прочность. В матрице равномерно распределены наполнители, которые называют ещё упрочнителями, так как они играют главную роль в повышении прочности материала. Наполнители называют ещё армирующими компонентами.

Свойства композиционного материала зависят от формы или геометрии, размера, количества и характера распределения наполнителя. По форме наполнители разделяют на три основные группы: нульмерные, одномерные, двумерные. Компоненты композитов должны быть совместимы, т.е. они не должны растворяться или иным способом поглощать друг друга. Свойства композиционных материалов нельзя определить только по свойствам компонентов, без учета их взаимодействия. Для создания композита может применяться несколько технологий (список не весь!): получение композита по месту (например, навивка стеклоткани с пропиткой или эпоксидная выклейка), получение композита до формовки детали (например, пластики), создание композита путем наведения анизотропии в материале (например, заливка натянутой арматуры бетоном для создания напряженных конструкций).

По структуре композиты делятся на несколько основных классов:

Волокнистые композиты армированы волокнами или нитевидными кристаллами – кирпичи с соломой и папье-маше можно отнести как раз к этому классу композитов. Уже небольшое содержание наполнителя в композитах такого типа приводит к появлению качественно новых механических свойств материала. Широко варьировать свойства материала позволяет также изменение ориентации размера и концентрации волокон. Кроме того, армирование волокнами придает материалу анизотропию свойств (различие свойств в разных направлениях), а за счет добавки волокон проводников можно придать материалу электропроводность вдоль заданной оси.

Слоистые композиты - матрица и наполнитель расположены слоями, как, например, в особо прочном стекле, армированном несколькими слоями полимерных пленок.

Микроструктура остальных классов композиционных материалов характеризуется тем, что матрицу наполняют частицами армирующего вещества, а различаются они размерами частиц. В композитах, упрочненных частицами, их размер больше 1 мкм, а содержание составляет 20–25% (по объему), тогда как дисперсноупрочненные композиты включают в себя от 1 до 15% (по объему) частиц размером от 0,01 до 0,1 мкм. Размеры частиц, входящих в состав нанокомпозитов – нового класса композиционных материалов – еще меньше и составляют 10–100 нм. Композиционные материалы, содержащие 2 или более различных армирующих элементов, называются полиармированными. Полиармированные композиты, в свою очередь, делятся на простые, если армирующие элементы имеют различный состав, но одинаковую геометрию (например, стеклоуглепластик - полимер, армированный стеклянными и углеродными волокнами), и комбинированные, если армирующие элементы имеют различные состав и геометрию (например, композит, состоящий из алюминиевой матрицы, борных волокон и прослоек из титановой фольги).

По виду матрицы композиты делятся на:

Полимерные композиционные материалы (ПКМ). Композиты, в которых матрицей служит полимерный материал, иначе называемые пластиками. Их применение в различных областях дает значительный экономический эффект. В качестве наполнителей ПКМ используется множество различных веществ.

Стеклопластики – полимерные композиционные материалы, армированные стеклянными волокнами, которые формуют из расплавленного неорганического стекла. В качестве матрицы чаще всего применяют как термореактивные синтетические смолы (фенольные, эпоксидные, полиэфирные и т.д.), так и термопластичные полимеры (полиамиды, полиэтилен, полистирол и т.д.). Эти материалы обладают достаточно высокой прочностью, низкой теплопроводностью, высокими электроизоляционными свойствами, кроме того, они прозрачны для радиоволн. Стеклопластики – достаточно дешевые материалы, их широко используют в строительстве, судостроении, радиоэлектронике, производстве бытовых предметов, спортивного инвентаря, оконных рам для современных стеклопакетов и т.п.

Углепластики – наполнителем в этих полимерных композитах служат углеродные волокна. Углеродные волокна получают из синтетических и природных волокон на основе целлюлозы, сополимеров акрилонитрила, нефтяных и каменноугольных пеков и т.д. Термическая обработка волокна проводится, как правило, в три этапа (окисление – 220° С, карбонизация – 1000–1500° С и графитизация – 1800–3000° С) и приводит к образованию волокон, характеризующихся высоким содержанием (до 99,5% по массе) углерода. В зависимости от режима обработки и исходного сырья полученное углеволокно имеет различную структуру. Для изготовления углепластиков используются те же матрицы, что и для стеклопластиков – чаще всего – термореактивные и термопластичные полимеры. Основными преимуществами углепластиков по сравнению со стеклопластиками является их низкая плотность и более высокий модуль упругости, углепластики – очень легкие и, в то же время, прочные материалы. Углеродные волокна и углепластики имеют практически нулевой коэффициент линейного расширения. Все углепластики хорошо проводят электричество, черного цвета, что несколько ограничивает области их применения. Углепластики используются в авиации, ракетостроении, машиностроении, производстве космической техники, медтехники, протезов, при изготовлении легких велосипедов и другого спортивного инвентаря.

Боропластики – композиционные материалы, содержащие в качестве наполнителя борные волокна, внедренные в термореактивную полимерную матрицу, при этом волокна могут быть как в виде мононитей, так и в виде жгутов, оплетенных вспомогательной стеклянной нитью или лент, в которых борные нити переплетены с другими нитями. Благодаря большой твердости нитей, получающийся материал обладает высокими механическими свойствами (борные волокна имеют наибольшую прочность при сжатии по сравнению с волокнами из других материалов) и большой стойкостью к агрессивным условиям, но высокая хрупкость материала затрудняет их обработку и накладывает ограничения на форму изделий из боропластиков. Кроме того, стоимость борных волокон очень высока (порядка 400 $/кг) в связи с особенностями технологии их получения (бор осаждают из хлорида на вольфрамовую подложку, стоимость которой может достигать до 30% стоимости волокна). Термические свойства боропластиков определяются термостойкостью матрицы, поэтому рабочие температуры, как правило, невелики. Применение боропластиков ограничивается высокой стоимостью производства борных волокон, поэтому они используются главным образом в авиационной и космической технике в деталях, подвергающихся длительным нагрузкам в условиях агрессивной среды.

Органопластики – композиты, в которых наполнителями служат органические синтетические, реже – природные и искусственные волокна в виде жгутов, нитей, тканей, бумаги и т.д. В термореактивных органопластиках матрицей служат, как правило, эпоксидные, полиэфирные и фенольные смолы, а также полиимиды. Материал содержит 40–70% наполнителя. Содержание наполнителя в органопластиках на основе термопластичных полимеров – полиэтилена, ПВХ, полиуретана и т.п. – варьируется в значительно больших пределах – от 2 до 70%. Органопластики обладают низкой плотностью, они легче стекло- и углепластиков, относительно высокой прочностью при растяжении; высоким сопротивлением удару и динамическим нагрузкам, но, в то же время, низкой прочностью при сжатии и изгибе. Важную роль в улучшении механических характеристик органопластика играет степень ориентация макромолекул наполнителя. Макромолекулы жесткоцепных полимеров, таких, как полипарафенилтерефталамид (кевлар) в основном ориентированы в направлении оси полотна и поэтому обладают высокой прочностью при растяжении вдоль волокон. Из материалов, армированных кевларом, изготавливают пулезащитные бронежилеты. Органопластики находят широкое применение в авто-, судо-, машиностроении, авиа- и космической технике, радиоэлектронике, химическом машиностроении, производстве спортивного инвентаря и т.д.

Композиционные материалы с металлической матрицей. При создании композитов на основе металлов в качестве матрицы применяют алюминий, магний, никель, медь и т.д. Наполнителем служат или высокопрочные волокна, или тугоплавкие, не растворяющиеся в основном металле частицы различной дисперсности. Свойства дисперсноупрочненных металлических композитов изотропны – одинаковы во всех направлениях. Добавление 5–10% армирующих наполнителей (тугоплавких оксидов, нитридов, боридов, карбидов) приводит к повышению сопротивляемости матрицы нагрузкам. Эффект увеличения прочности сравнительно невелик, однако ценно увеличение жаропрочности композита по сравнению с исходной матрицей. Так, введение в жаропрочный хромоникелевый сплав тонкодисперсных порошков оксида тория или оксида циркония позволяет увеличить температуру, при которой изделия из этого сплава способны к длительной работе, с 1000° С до 1200° С. Дисперсноупрочненные металлические композиты получают, вводя порошок наполнителя в расплавленный металл, или методами порошковой металлургии. Армирование металлов волокнами, нитевидными кристаллами, проволокой значительно повышает как прочность, так и жаростойкость металла. Например, сплавы алюминия, армированные волокнами бора, можно эксплуатировать при температурах до 450–500° С, вместо 250–300° С. Применяют оксидные, боридные, карбидные, нитридные металлические наполнители, углеродные волокна. Керамические и оксидные волокна из-за своей хрупкости не допускают пластическую деформацию материала, что создает значительные технологические трудности при изготовлении изделий, тогда как использование более пластичных металлических наполнителей позволяет переформование. Получают такие композиты пропитыванием пучков волокон расплавами металлов, электроосаждением, смешением с порошком металла и последующим спеканием и т.д.

В 1970-х появились первые материалы, армированные нитевидными монокристаллами («усами»). Нитевидные кристаллы получают, протягивая расплав через фильеры. Используются «усы» оксида алюминия, оксида бериллия, карбидов бора и кремния, нитридов алюминия и кремния и т.д. длиной 0,3–15 мм и диаметром 1–30 мкм. Армирование «усами» позволяет значительно увеличить прочность материала и повысить его жаростойкость. Армирование «усами» оксида алюминия материалов на основе вольфрама и молибдена вдвое увеличило их прочность при температуре 1650° С, что позволяет использовать эти материалы для изготовления сопел ракет.

Композиционные материалы на основе керамики. Армирование керамических материалов волокнами, а также металлическими и керамическими дисперсными частицами позволяет получать высокопрочные композиты, однако, ассортимент волокон, пригодных для армирования керамики, ограничен свойствами исходного материала. Часто используют металлические волокна. Сопротивление растяжению растет незначительно, но зато повышается сопротивление тепловым ударам – материал меньше растрескивается при нагревании, но возможны случаи, когда прочность материала падает. Это зависит от соотношения коэффициентов термического расширения матрицы и наполнителя. Армирование керамики дисперсными металлическими частицами приводит к новым материалам (керметам) с повышенной стойкостью, устойчивостью относительно тепловых ударов, с повышенной теплопроводностью. Из высокотемпературных керметов делают детали для газовых турбин, арматуру электропечей, детали для ракетной и реактивной техники. Твердые износостойкие керметы используют для изготовления режущих инструментов и деталей. Кроме того, керметы применяют в специальных областях техники – это тепловыделяющие элементы атомных реакторов на основе оксида урана, фрикционные материалы для тормозных устройств и т.д. Керамические композиционные материалы получают методами горячего прессования (таблетирование с последующим спеканием под давлением) или методом шликерного литья (волокна заливаются суспензией матричного материала, которая после сушки также подвергается спеканию)