Неметаллические материалы

Важнейшими специфическими свойствами стекол являются их оптические свойства: светопрозрачность, отражение, рассеивание, поглощение и преломление света. Обычно неокрашенное листовое стекло пропускает 90%, отражает примерно 8% и поглощает около 1% видимого и частично инфракрасного света; ультрафиолетовые лучи поглощает почти полностью. Кварцевое стекло является прозрачным для ультрафиолетовых лучей. Коэффициент преломления стекол составляет 1,47--1,96, коэффициент рассеяния (дисперсии) находится в интервал от 20 до 71. Стекло с большим содержанием РЬ поглощает рентгеновские лучи.

Термостойкость стекла характеризует его долговечность в условиях разных изменений температуры. Она определяется разностью температур, которую стекло может выдержать без разрушения при его резком охлаждении в воде (0°С). Коэффициент линейного расширения стекла составляет от 5,6*10^-7 1/°С (кварцевое) до 90*10^-7 1/°С (строительное), коэффициент теплопроводности -- от 0,57 до 1,3 ккал/(м*ч°С). Для большинства видов стекол термостойкость колеблется от 90 до 170°С, а для кварцевого стекла она составляет 800-1000°С. Химическая стойкость стекол зависит от образующих их компонентов: окислы SiO₂ , ZrO₂ , TiO₂ , B₂O₃ , A1₂O₃> CaO, MgO, ZnO обеспечивают высокую химическую стойкость, а окислы Li₂O, Na₂O, K₂O, BaO и РЬО, наоборот, способствую химической коррозии стекла. Механическая прочность и термостойкость стекла могут быть повышены путем закалки и термохимического упрочнения.

Закалка, заключается в нагреве стекла до температур выше tc и последующего быстрого и равномерного охлаждения в потоке воздуха или в масле. При этом сопротивление статическим нагрузкам увеличивается в 3-6 раз, ударная вязкость в 5-7 раз. При закалке повышается также термостойкость стекла.

Термохимическое упрочнение основано на глубоком изменении структуры стекла и свойств его поверхности. Стекло подвергается закалке в подогретых кремнийорганических жидкостях, в результате чего на поверхности материала образуются полимерные пленки; этим создается дополнительное, по сравнению с результатом обычно закалки, упрочнение. Повышение прочности и термостойкости можно получить травлением закаленного стекла плавиковой кислотой, в результате чего удаляются поверхностные дефекты, снижающие его качество.

Силикатные триплексы представляют собой два листа закаленного стекла (толщиной 2- 3 мм), склеенных прозрачной эластичной полимерной пленкой. При разрушений триплекса образовавшиеся неострые осколки удерживаются на полимерной пленке. Триплексы бывают плоскими и гнутыми.

Термопан -- трехслойное стекло, состоящее и двух стекол и воздушного промежутка между ними. Эта воздушная прослойка обеспечивает теплоизоляцию.

Применение технических стекол. Для остекления транспортных средств используют преимущественно триплексы, термопан и закаленные стекла. Оптические стекла, применяемые в оптических приборах и инструментах, подразделяют на кроны, отличающиеся малым преломлением, флинты -- с высоким содержанием окиси свинца и большими значениями коэффициента преломления. Тяжелые флинты не пропускают рентгеновские и гамма-лучи. Светорассеивающие стекла содержат в своем составе фтор.

Остекление кабин и помещений, где находятся пульты управления мартеновских и электрических дуговых печей, прокатных станов и подъемных кранов в литейных цехах, выполняется стеклами, содержащими окислы железа и ванадия, которые поглощают около 70% инфракрасного излучения в интервале длин волн 0,7--3 мкм.

Кварцевое стекло вследствии высокой термической и химической стойкости применяют для тиглей, чаш, труб, наконечников, лабораторной посуды. Близкое по свойствам к кварцевому стеклу, но более технологичное кварцоидное стекло используют для электроколб, форм для точного литья и т. д.

Электропроводящие (полупроводниковые) стекла: халькогенидные и оксидные ванадиевые, находя широком применении в качестве термисторов, фотосопротивлений.

Теплозвукоизоляционные стекловолокнистые материалы. Эти материалы имеют рыхловолокнистую структуру с большим количеством воздушных прослоек, волокна в них располагаются беспорядочно. Такая структура сообщает этим материалам малую объемную массу (от 20 до 130 кг/м³) низкую теплопроводность.

Разновидностями стекловолокнистых материалов являются стекловата, применение которой ограничено ее хрупкостью; материал АСИМ, АТИМС, АТМ-3, состоящие из стекловолокон, расположенные между двумя слоями стеклоткани или стеклосетки, простеганной стеклонитками. Они применяются в интервале температур от 60 до 450-600°С. Иногда стекловолокно сочетают с термореактивной смолой, придающей матам более устойчивую рыхлую структуру (материла АТИМСС), рабочие температуры до 150 С. Материалы, вырабатываемые из короткого волокна синтетических смол, называются плитами. Коэффициент звукопоглощения плит при частоте 200 -- 800Гц равен 0,5; при частоте 8000Гц равен 0,65.

Стекловату, маты, плиты применяют для теплозвукоизоляции кабин самолетов, кузовов автомашин, железнодорожных вагонов, тепловозов, электровозов, корпусов судов, в холодильной технике, ими изолируют различные трубопроводы, автоклав и т. д.

5. Керамические материалы

Керамик -- 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.

Керамические материал могут быть изготовлены на основе глины. Глина в смеси с водой дает пластическую, способную формоваться массу после обжига приобретает значительную механическую прочность. Техническая керамика включает искусственно синтезированные керамические материалы различного химического и фазового состава; она обладает специфическими комплексами свойств. Такая керамика содержит минимальное количество или вовсе не содержит глины. Основными компонентами технической керамики являются окислы 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 основных свойств.

Стекловидная фаза находится в керамике в виде прослоек стекла, связывающих кристаллическую фазу. Обычно керамика содержит от 1 до 40% 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.

Большой интерес представляет использование керамики на основе чистых окислов в качестве высокоогнеупорного и конструкционного материала. В производстве оксидной керамики используют в основном следующие окислы: А1₂О₃ (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 окислов превышает 2000°С, поэтому их относят к классу высокоогнеупоров. Как и для других неорганических материалов, окисная керамика обладает высокой прочностью при сжатии по сравнению с прочностью при растяжении или изгибе; более прочным 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 окисляемость. Керамика чистых окислов, как правило, подвержена процессу окисления.

Керамика из А1₂О₃ (корундовая) обладает высокой прочностью, которая сохраняется при высоких температурах, химически стойка, отличный диэлектрик. Термическая стойкость корунда невысокая. Изделие 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 рольгангов, детали насосов, свечи зажигания в двигателях внутреннего сгорания. Керамика с плотной структурой используется в качестве вакуумной керамики, пористая -- как термоизоляционный материал. В корундовых тиглях производится плавление различных металлов, окислов, шлаков. Корундовый материал микролит (ЦМ-332) по свойствам превосходит другие инструментальные материалы, его плотность до 3,96 г/см³. Из микролита изготовляют резцовые пластинки, фильеры, насадки, сопла, матрицы и др.

Особенностью ZrO₂ является слабокислотная или инертная природа, низкий коэффициент теплопроводности 1,5 - 1,7 ккал/(м* ч*°С) в интервале температур 100--1000°С. Рекомендуемые температуры применения керамики и двуокиси циркония 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.

Керамики из окиси магния и кальция стойки к действию основных шлаков различных металлов, в том числе и щелочных. Термическая стойкость их низкая. Окись магния при высоких температурах летуча, окись кальция способна к гидратации даже на воздухе. Их применяют для изготовления тиглей, кроме того, MgO используют для футеровки печей, пирометрической аппаратур и т.д.

Керамика из окиси бериллия отличается высокой теплопроводностью, что сообщает ее высокую термостойкость. Прочностные свойства материала невысокие. Окись бериллия обладает способностью рассеивать радиоактивные излучения высоких энергий, имеет высокий коэффициент замедления тепловых нейтронов, применяется для изготовления тиглей для плавки некоторых чистых металлов, в качеств вакуумной керамики и в атомных реакторах.

Керамика из окисей тория и урана имеют высокую температуру плавления, но обладают высокой плотностью и радиоактивны. Их применяют для изготовления тиглей для плавки родия, платины, иридия и других металлов, в конструкциях электропечей (ТhO₂), для тепловыделяющих элементов в энергетических реакторах (UO₂).

Тугоплавкие бескислородные соединения: карбиды (МеС), бориды (МеВ), нитриды (MeN) и силициды (MeSi_n) отличаются высокой огнеупорностью (tпл = 2500 - 3500°С), высокой твердостью (иногда как у алмаза) и износостойкостью по отношению к агрессивным средам. Эти материалы обладают высокой хрупкостью. Сопротивление окислению при высоких температурах (окалиностойкость) карбидов и боридов составляет 900--1000°С, несколько ниже оно у нитридов. Силициды могут выдерживать температуру 1300-- 1700° (на поверхности образуется пленка кремнезема).

Широкое применение получил карбид кремни -- карборун (SiC), имеющий плотность 3,2 г/см³, твердость 9,2 по шкале Мооса. Карбид кремния устойчив к кислотам и неустойчив к щелочам, применяется в качестве нагревательных стержней, защитных покрытий от окисления графита и в качестве абразива.

Нитрид бора (белый графит) с гексагональной структурой графита используется в качестве диэлектрика и как огнестойкая смазка. При высоком давлении и температуре 1360° нитрид бора превращается в эльбор (кубическая модификация) с плотностью 3,45 г/см³, обладающий высокой твердостью и выдерживающий нагревание до 2000°С. Эльбор является заменителем алмаза.

Каменное литье получается путем переплавки при 1350--1550° базальтов, диабазов и других горных пород. Материал отличается высокой химической стойкостью и износостойкостью, выпускается в виде футеровочных плит и изделий несложной формы. Плотность каменного литья 2,9-3 г/см³, tразм = 1040°С. Его применяют в химической, горнообогатительной и другой промышленности.

Список литературы

1. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: учебник для высших учебных заведений. - М: Машиностроение, 1990. - 528с.

2. Никитенко В.М., Курганова Ю.А. Технологические процессы в машиностроении: текст лекций для студентов. - Ульяновск УлГТУ, 2008. - 213с.

3. Адаскин А.М. Материаловедение в машиностроении: учебник для бакалавров. - М: Издательство Юрайт, 2015. - 536с.

Размещено на Allbest.ru