Неорганические стекла. Техническая керамика
Неорганическое стекло – химически сложные аморфные изотропные материалы, обладающие свойствами хрупкого твердого тела.
Стекла состоят:
1. Стеклообразователи – основа:
а) Si02 – силикатное стекло, если Si02 > 99 %, то это кварцевое стекло;
б) AI2O3 + Si02 – алюмосиликатное стекло;
в) B203 + Si02 – боросиликатное стекло;
г) AI203 + B203 + Si02 – алюмоборосиликатное стекло;
2. Модификаторы, вводятся для придания стеклу определенных свойств. Ввод оксидов щелочноземельных металлов (I, II группа: Na, K) уменьшает температуру размягчения. Оксиды хрома, железа, ванадия придают стеклу определенные цвета. Оксиды свинца увеличивают коэффициент преломления. В зависимости от количества модификаторов стекла бывают: щелочные с содержанием модификаторов до 20–30 %, бесщелочные – до 5 % модификаторов, кварцевое стекло – модификаторов нет;
3. Компенсаторы, подавляют негативное воздействие модификаторов. Стекла в автомобилях, в стеклопластиках, оптика, теплопроводимость низкая, не растворимы в кислотах и щелочах.
Свойства стекол: стекла отличаются высокой твердостью и пределом прочности. Теоретически предел прочности достигает 10–12 ГПа. Модуль упругости E = 70 ГПа. Твердость по Виккерсу HV ~ 750 кгс/мм2. Практически предел прочности – 50-100 МПа. Низкий аВ объясняется факторами: высокий коэффициент линейного расширения. С остыванием стекла на его поверхности образуются растягивающие напряжения, что приводит к появлению трещин. Стекло – хороший теплоизолятор, что также приводит к образованию трещин. Стекло не сопротивляется динамическим нагрузкам.
Способы упрочнения стекол:
1) травление для удаления дефектного поверхностного слоя. Предел прочности увеличивается до 3000 МПа. Малоэффективный способ, т. к. в дальнейшем стекло взаимодействует с абразивными частицами или твердыми материалами;
2) создание на поверхности сжимающих напряжений. Для этого проводят закалку, осуществляют нагрев до определенной температуры, затем охлаждают в заданном режиме (температура нагревания, охлаждение и время выдержки). Предел прочности увеличивается до 1000–1500 МПа;
3) нанесение на поверхность стекол полимерных материалов. Полимерное связующее склеивает микротрещины на поверхности стекла.
Кварцевое стекло обладает высокой газопроницаемостью (гелий, водород, неон) по сравнению с другими силикатными стеклами, в составе которых кроме диоксида кремния присутствуют оксиды щелочных и щелочноземельных металлов.
Два параметра, объединяющих структуру двойных фосфатных стекол со структурой двойных силикатных стекол: структурной основной единицей являются тетраэдрические элементокислородные группировки; при добавлении модифицирующих оксидов увеличивается число не мостиковых атомов кислорода.
Затвердение и плавление стекла происходит постепенно в некотором температурном интервале. Поэтому не существует определенная температура затвердевания или плавления. В процессе охлаждения расплав переходит из жидкого в пластическое состояние, а после этого – в твердое (процесс стеклования).
Органические стекла представляют собой органические полимеры-полиакрилаты, поликарбонаты, полистирол, сополимеры винилхлорида с метилметакрилатом, находящиеся в стеклообразном состоянии. Наибольшее практическое применение нашли стекла на основе полиметил-метакрилата. По своей технологии, механизму твердения и строению органические стекла отличаются от неорганических.
Элементарные стекла способны образовывать небольшое число элементов – сера, селен, мышьяк, фосфор, углерод.
Галогенидные стекла получают на основе стеклообразующего компонента BeF2. Многокомпонентные составы фторбериллатных стекол включают в себя фториды алюминия, кальция, магния, стронция, бария. Фторбериллатные стекла широко применяются на практике из-за высокой устойчивости к действию жестких излучений, включая рентгеновские лучи, и таких агрессивных сред, как фтор и фтористый водород.
Промышленное значение приобретают способы получения стекол путем вакуумного испарения, конденсации из паровой фазы, плазменного напыления. В этих случаях стекло удается получить из газовой фазы, минуя расплавленное состояние.
Керамика – неорганический материал, получаемый отформованнием масс в процессе высокотемпературного обжига. Оксидная керамика обладает высокой прочностью при сжатии по сравнению с прочностью при растяжении или изгибе. Более прочными являются мелкокристаллические структуры. С повышением температуры прочность керамики понижается. Керамика из чистых оксидов не подвержена процессу окисления.
Бескислородная керамика. Материалы являются очень хрупкими. Сопротивление окислению при высоких температурах карбидов и боридов составляет 900-1000 °C, у нитридов оно ниже. Силициды выдерживают температуру 1300–1700 °C. При таких температурах на поверхности образуется пленка кремнезема.
|
