Тема-14 Техническая керамика. Техническая керамика
 Скачать 7.71 Mb.
|
|
2. Клиноэнстатитовая (стеатитовая) керамика В системе MgO-SiO2 имеются два химических соединения – метасиликат магния (MgO.SiO2) и ортосиликат магния (2MgO.SiO2). Метасиликат магния существует в трех модификационных формах: энстатита (ромбической сингонии), клиноэнстатита (моноклинной сингонии) и протоэнстатита (ромбической сингонии), которые отличаются плотностью и строением кристаллической решетки. Низкотемпературной формой является энстатит. При нагревании до 1100-1200С он необратимо переходит в высокотемпературный протоэнстатит, минуя клиноэнстатитовую форму. При охлаждении протоэнстатит иногда не полностью переходит в устойчивую форму - клиноэнстатит. В присутствии протоэнстатита процесс перехода замедляется, что приводит к необратимому изменению свойств, называемому “старением керамики”. Клиноэнстатитовую керамику принято называть “стеатитовой”, так как ее изготавливают из разновидности минерала талька - стеатита. Клиноэнстатит плавится инконгруэнтно при 1557С с образованием форстерита (2MgO.SiO2). Основным сырьем для производства клиноэнстатитовой керамики является тальк - гидросиликат магния состава 3 MgO.4SiO2.H2O, включающего (в % по массе): SiO2 - 63,5; MgO - 31,7; H2O – 4,8. Твердость талька по шкале Мооса составляет 1, плотность 2,7-2,8 г/см3. При нагревании до 1000-1300С из талька удаляется вода, образуется метасиликат магния и кремнезем. В природных тальках всегда содержится некоторое количество примесей Fe2O3, Al2O3, CaO, Na2O, ухудшающих свойства изделий, особенно электрофизические. Поэтому для производства клиноэнстатитовой керамики радиотехнического назначения пригодны только разновидности талька, содержащие не более 1 % Fe2O3 и 1 % СаО, не менее 28 % MgO; потери при прокаливании не должны превышать 7 %. Наиболее пригодными по своему составу являются тальки Онотского и Шабровского месторождений. Перспективны также Альгуйское, Сыростанское и Киргитейское месторождения. Химический состав различных типов стеатитовых масс.
От химического состава в значительной степени зависят поведение заготовок в обжиге, фазовый состав и свойства обожженных изделий. Следствием различия химического состава исходных масс является различное количество в обожженных изделиях стекловидной фазы, разный ее состав, температурный интервал размягчения и вязкость. Наличие в стеатитовой керамике стекловидной фазы с низкой температурой размягчения, а также легкоплавких эвтектик в системах RO-SiO2 является причиной сравнительно низкой (1190-1300С) температуры спекания стеатитовых масс различных марок. Отличительной чертой обжига стеатитовых масс является весьма короткий интервал их спекания, составляющий всего 10-40С, что обусловлено весьма быстрым нарастанием количества жидкой фазы в процессе нагревания. Одновременно с образованием жидкой фазы при повышении температуры резко уменьшается ее вязкость. В результате этого при наличии 40-45 % жидкой фазы изделие деформируется. Поэтому обжиг должен быть закончен до наступления деформации. Для всех видов стеатитовой керамики характерны низкие значения диэлектрических потерь, высокая механическая прочность, в два раза превышающая прочность электротехнического фарфора, большое значение пробивного напряжения. Свойства клиноэнстатитовой керамики
Благодаря этим свойствам стеатитовую керамику широко используют в электро- и радиотехнике в качестве высоковольтных и высокочастотных диэлектриков. Зависимость диэлектрических потерь tgδ от температуры при частоте 1 МГц стеатитовой керамики 1 – из пластичной; 2 – малопластичной и 3 – непластичной массы Изделия из стеатитовой керамики для радиоприборостроения 3. Форстеритовая керамика Форстерит представляет собой ортосиликат магния 2MgO.SiO2, его температура плавления 1890С, плотность 3,22 г/см3, твердость по шкале Мооса 7. Кристаллы форстерита относятся к ромбической системе, показатели преломления Ng = 1,668 и Np = 1,636. Модификационных превращений не имеет. Диаграмма состояния MgO – SiO2 Химический состав отечественных форстеритовых керамических материалов Форстеритовая керамика после обжига имеет фазовый состав: форстерит 80 – 90 %; стеклофаза 7 – 15 %. Кроме форстерита в керамике могут присутствовать MgOxAl2O3; MgO; MgOxSiO2. Присутствие этих фаз не желательно. Форстерит получают из талька и оксида магния или магнезита и диоксида кремния с минерализующими добавками при температуре 1450С: 3MgO . 4SiO2 + 5MgO 4(2MgO . SiO2). Получение форстерита возможно также непосредственно из оксидов: 2MgO + SiO2 2MgO . SiO2. Из-за высокой (1800С) температуры синтеза из оксидов в промышленности форстерит не получают. Для снижения температуры спекания требуется введение добавок. Как правило, к тальку для улучшения электрофизических свойств стекловидной фазы форстеритовых изделий добавляют ВаСО3, для улучшения спекания вводят небольшое количество пластичной огнеупорной глины. Характерными особенностями форстеритовой керамики с плотной спекшейся структурой являются высокие значения электрофизических свойств и повышенный по сравнению с клиноэнстатитовой керамикой коэффициент линейного расширения, что позволяет применять форстеритовую керамику в электровакуумной технике для создания согласованных спаев с металлами, главным образом, с титаном (ТКЛР форстерита - (8-9).10-6, титана - (9-9,5).10-6 К-1). Форстеритовую керамику также применяют для изготовления основания резисторов. Свойства форстеритовой керамики 4. Кордиеритовая керамика Кордиерит Mg2Al4Si5O12 - единственное тройное соединение в системе MgO-Al2O3-SiO2; кристаллизуется в поле муллита. Плавится инконгруэнтно с выделением муллита и магнезиального расплава при температуре около 1435С. Плотность кордиерита 2,6-2,8 г/см3, твердость по шкале Мооса - 7,0-7,5, система кристаллов - ромбическая. Диаграмма состояния MgO – SiO2 – Al2O3 Кордиеритовую керамику изготавливают из природных материалов – талька, огнеупорных глин и искусственных - глинозема, электроплавленного корунда. Образование кордиерита протекает по следующей суммарной реакции, при условии, что тальк и каолинитовая глина дегидратированы, 4(3MgO . 4SiO2) + 7(Al2O3 . SiO2) + 5Al2O3 6(2MgO . 2Al2O3 . 5SiO2) Наряду с кордиеритом, содержание которого достигает 80 %, из этих исходных материалов попутно образуются также муллит и клиноэнстатит. Отличительным свойством кордиеритовой керамики является низкий термический коэффициент линейного расширения, благодаря чему кордиеритовая керамика отлично переносит резкие тепловые удары, т. е. является весьма термостойким материалом. Высокая термостойкость кордиеритовой керамики позволяет применять ее в высоковольтной и низковольтной электротехнике, в частности, для изготовления деталей дугогасительных камер в высоковольтных выключателях. Из кордиеритсодержащих масс изготавливают огнеприпас для обжига керамических изделий. Свойства кордиеритовой керамики
5. Цельзиановая керамика Минерал цельзиан ВаО.Al3O3.SiO2 относится к группе полевых шпатов, кристаллизуется в моноклинной модификации, выше 1600С переходит в гексагональную модификацию. Температура плавления 1740С, плотность 3,21-3,28 г/см3, твердость по минералогической шкале 6. Цельзиановую керамику изготавливают синтезом цельзиана из глины или каолина и ВаСО3 при 1250-1300С. Для снижения температуры синтеза и кристаллизации моноклинной модификации вводят добавки СаСОз, ашарита (2MgO.B2O3.H2O). Синтез цельзиана сопровождается большой (до 40 %) усадкой массы вследствие диссоциации ВаСО3 и дегидратации глины и каолина. Поэтому технология двустадийная, спековая. После обжига спек размалывают, вновь смешивают с сырыми материалами и формуют преимущественно методом прессования. Изделия из цельзиана можно формовать и другими методами. Обжигают цельзиановые изделия в слабоокислительной или нейтральной среде при 1380-1400С. Свойства цельзиановой керамики
Благодаря ряду ценных свойств, особенно высокой термостойкости, цельзиановая керамика применяется для производства некоторых видов изделий для радиотехники, например, каркасов катушек индуктивности. 6. Сподуменовая керамика В системе Li2O-Al2O3-SiO2 имеется три кристаллических фазы: эвкриптит (Li2O.Al2O3.2SiO2), сподумен (Li2O.Al2O3.4SiO2) и петалит (Li2O.Al2O3.8SiO2). Для технологии керамики наибольшее значение имеет сподумен, поэтому керамику называют сподуменовой. Сподумен имеет тетрагональную симметрию кристаллов, температура плавления 1423С, плотность - 2,47 г/см3. Керамические изделия готовят главным образом из природного минерала сподумена, а также из смеси глины, тонкодисперсного кварца и карбоната лития. Формование можно осуществлять всеми методами, принятыми в технологии керамики. При изготовлении изделий методом горячего литья под давлением, технология двустадийная. Отличительной особенностью сподуменовой керамики является исключительно малое значение вплоть до отрицательной величины ТКЛР, благодаря чему она имеет высокую термостойкость, например, выдерживает охлаждение в проточной воде после нагревания до 1100С. Сподуменовую керамику изготавливают как плотного, так и пористого строения. Свойства сподуменовой керамики
7. Волластонитовая керамика Волластонит - это метасиликат кальция состава CaO.SiO2. Он существует в двух модификациях: -CaO.SiO2 - псевдоволластонит и -CaO.SiO2 - собственно волластонит. -форма кристаллизуется в псевдогексагональной системе, а -форма - в триклинной. Переход из волластонита в псевдоволластонит происходит при 1125С необратимо с незначительным изменением объема, так как их плотности близки и составляют у -формы 2,905, -формы 2,915 г/см3. Температура плавления волластонита 1540С, твердость обеих модификаций по шкале Мооса 4,5-6. Изделия волластонитовой керамики изготавливают из природного сырья высокой чистоты. Волластонит является непластичным материалом, поэтому для изготовления изделий исходные массы пластифицируют. Волластонитовая керамика обладает высокими электрофизическими свойствами, поэтому ее применяют в радио- и электротехнике. Свойства волластонитовой керамики
|