Керамика на основе силикатов и алюмосиликатов

Силикаты и алюмосиликаты составляют основу очень большого количества технических керамических материалов. Большинство этих керамических материалов в качестве преобладающей фазы содержит двойные или тройные кристаллические вещества – силикаты или алюмосиликаты, образующиеся в системе МgО-А1₂О₃-SiO₂. Таких соединений в этой системе четыре:

1. ЗА1₂О₃ ·2SiO₂ – муллит,

2. МgО ·SiO₂ – клиноэнстатит,

3. 2МgО· SiO₂ – форстерит,

4. МgО ·2А1₂О₃ ·5SiO₂ – кордиерит.

В соответствии с названием минералов называют и керамику – муллитовая, муллито-корундовая, клиноэнстатитовая (стеатитовая), форстеритовая и кордиеритовая.

Муллитовая и муллито-корундовая керамика

Основной кристаллической фазой муллитовой и муллито-корундовой керамики являются муллит ЗА1₂О₃ ·2SiO₂ и корунд α -А1₂О₃. Эти керамические материалы называют высокоглиноземистой керамикой.

Добавочное количество оксида алюминия вводят обычно с глиноземом

или электрокорундом. Таким образом, высокоглиноземистая керамика включает составы с содержанием А1₂О₃ от 45 до 100%.

Диаграмма состояния системы А1₂О₃ - SiO₂ представлена на рис.3.

Рис.3. Диаграмма состояния системы SiO₂-Al₂O₃

В зависимости от химического и фазового состава высокоглиноземистую керамику подразделяют на три группы:

1. Муллито-кремнеземистaя (45–70% Аl₂O₃).

2. Муллито-корундовая (70–95% А1₂0₃).

3. Корундовая (95–100% А1₂О₃).

Керамика, содержащая менее 70% А1₂О₃, имеет только одну кристаллическую фазу – муллит, а количество стекловидной фазы может достигать 40–50%. При повышении содержания А1₂О₃ до 77–78% количество муллита возрастает, а количество стекловидной фазы в массе без плавней сводится к минимуму. Керамика, содержащая 70–95% Al₂O₃, имеет переменное количество муллита и корунда. В третьем типе высокоглиноземистой керамики присутствует только корунд.

Техническая керамика находит применение в вакуумной технике, в качестве изоляторов запальных свечей двигателей внутреннего сгорания, для изготовления различных деталей электро- и радиоаппаратуры.

Клиноэнстатитовая керамика

Клиноэнстатитовая керамика имеет в своей основе метасиликат магния MgO·SiO₂ – клиноэнстатит. Сырьем для производства клиноэнстатитовой керамики является минерал тальк, представляющий собой водный силикат магния. Плотные разновидности талька называют стеатитом. Поэтому клиноэнстатитовая керамика часто называется стеатитовой или просто стеатитом.

Отличительной особенностью стеатита являются малые диэлектрические потери и повышенная по сравнению с фарфором механическая прочность, вследствие чего его применяют как высокочастотный диэлектрик, а благодаря высокой пробивной напряженности и в высоковольтной технике. Плотная малопористая структура стеатита дает возможность использовать его как изолятор для электровакуумной аппаратуры.

Часто керамические материалы условно делят на «традиционные» и «новые». Традиционная керамика используется в давно сложившихся областях применения: строительстве, металлургической, химической промышленности. Термин «новая керамика» отражает использование керамики в машиностроении, авиационной, космической промышленности в качестве конструкционного и инструментального материала, а так же в электронике.

Следует отметить, что традиционная и электротехническая керамика является в основном оксидной, в то время, как новая керамика и некоторые виды специальной керамики, в соответствии с классификацией по химическому составу могут относиться к обеим группам.

Химические свойства

Наиболее распространенными случаями химического взаимодействия между керамикой и другими веществами являются следующие:

· взаимодействие с кислотами и щелочами – коррозия в растворах.

· взаимодействие с расплавами, чаще металлическими – коррозия в расплавах.

· взаимодействие с газами – газовая коррозия.

Коррозия в растворах

Исследование коррозионной стойкости керамики в различных растворах кислот и щелочей необходимо для оценки возможности изготовления из нее деталей химической аппаратуры, насосов для перекачки кислот, подшипников, работающих в агрессивных средах и т.д. Для оценки стойкости обычно подсчитывается убыль массы керамического образца после его выдержки в растворе заданной концентрации. Часто образец выдерживается в кипящем растворе. Допустимая потеря массы для кислотоупорной керамики не должна превышать 2–3%.

Коррозия в расплавах

При плавке металла в тиглях из оксидной керамики возможно восстановление огнеупорного материала тигля. Большое количество безоксидных керамических материалов также используют для изготовления деталей, работающих в контакте с расплавами самых различных металлов.

В связи с этим изучение коррозионной стойкости керамики в этих условиях имеет важное практическое значение. При выборе материала тигля часто пользуются следующим правилом: восстановление оксида происходит в том случае, если его теплота образования меньше, чем теплота образования оксида переплавляемого металла. При взаимодействии безоксидных керамик с расплавами металлов имеет место образование химических соединений, фаз внедрения, интерметаллидов. Например, самосвязанный карбид кремния, который содержит свободный кремний (~2, 7%), хорошо взаимодействует со сталью. Алюминий, имеющий высокое химическое сродство и близкое к бору и углероду электронное строение, активно взаимодействует с карбидом бора с образованием новых химических соединений. Коррозия керамики в расплавах определяется методами микроскопического, химического, фазового анализа, позволяющими определить наличие и количество продуктов взаимодействия.

Газовая коррозия

Очень распространенным видом химического взаимодействия является взаимодействие между керамикой и газами. Во многих случаях керамика должна противостоять действию газообразных галогенов, сернистого газа, оксидов азота, различных углеводородов и др. Если в состав керамики входят элементы с переменной валентностью, то при некоторых условиях газовой среды возможны окислительно-восстановительные реакции с образованием более легкоплавких соединений. Особенно усиливается воздействие газов во влажной среде и при повышенных температурах. Стойкость керамики против газообразных агентов зависит во многом от химической природы керамики, а также от ее структурных особенностей.

Оксидные керамики обладают очень важным достоинством: они не подвержены окислению. Бескислородная конструкционная керамика, хотя и имеет ряд преимуществ по сравнению с оксидной керамикой, обладает существенным недостатком – способностью окисляться при нагреве на воздухе до высоких температур. Учитывая, что в реальных условиях эксплуатации изделий из безоксидной керамики в двигателях к процессу окисления нагретым воздухом, добавляется коррозионное воздействие продуктов сгорания топлива и солей морской воды, попадающих, например, в судовые газотурбинные двигатели, становится очевидным, что используемая керамика должна быть стойкой к высокотемпературной коррозии. Необходимо учитывать, что ввиду довольно высокой коррозионной стойкости керамики, часто очень трудно оценивать степень ее коррозионного повреждения по изменению массы образцов, глубине проникновения коррозии, количеству очагов коррозии, на единицу площади поверхности и т.п., как это делается для металлов. Более того, окисление может приводить не только к ухудшению свойств керамики, но и к повышению ее прочности, а следовательно, к увеличению работоспособности керамического изделия. Поэтому оценить действие коррозии на работоспособность конструкционной керамики можно только по изменению ее механических характеристик.

Коррозионная активность продуктов сгорания топлива обусловлена, прежде всего, содержанием в них натрия, серы и ванадия. По окислительной способности SО₂ примерно в 15 раз превосходит воздух. Высокой коррозионной активностью характеризуются также образующиеся при сгорании топлива Nа₂S0₄ и V₂0₅.

При высокотемпературной коррозии безоксидной керамики в газовом потоке в начальный период происходит образование окисленного слоя и прирост массы из-за окисления, а через некоторое время убыль массы за счет эрозионного уноса материала.

Кроме этих типичных видов химического взаимодействия керамики с другими веществами, имеется еще большое количество случаев, когда керамика вступает в ту или иную реакцию с соприкасающимися материалами. Например, взаимодействие керамики с расплавленными стеклами при их плавке, шлаками, различными солевыми расплавами и т. д. Подобное многообразие вариантов химического взаимодействия керамики с другими средами не дает возможности создать единой методики оценки химической устойчивости керамики.

ПОДГОТОВКА ПРОБЫ

От керамических изделий откалывают края и середины куски массой 20-30 грамм, которые не имеют выплавок и инородних включений. Куски соединяют в пробу, предварительно дробят в металлической ступке или шнековой дробилке до размера кусков 2-5 мм.

Затем молотую массу просеивают через сита с размерами решеток №2 и №1с поддоном. Зерна с сита № 1 собирают в пробу, промывают от пыли водой и высушивают до постоянной массы при температуре 105 ⁰С.

ХОД ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Цель работы: изучить кислотостойкость и щелочестойкость керамических изделий.

В качестве керамических изделий в лабораторной работе используют молотые силикатный и глиняный (красный) кирпичи.

Задание выдает преподаватель. Варианты заданий:

Вариант 1. Определить кислотостойкость и щелочностойкость красного кирпича, сделать вывод.

Вариант 2. Определить кислотостойкость и щелочностойкость силикатного кирпича, сделать вывод.

Вариант 3. Определить кислотостойкость красного и силикатного кирпича, сравнить результаты, сделать вывод.

Вариант 4. Определить щелочестойкость силикатного и красного кирпича, сравнить результаты, сделать вывод.

При выполнении работы студенты должны ознакомиться с установкой, провести эксперимент, рассчитать убыль массы, определить кислотостойкость и щелочестойкость.

Схема установки представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. – Установка для исследования. 1- холодильник, 2 – штатив, 3 – отбойник, 4 – вспомогательная колба, 5 – рабочая колба, 6 – плитка.

⇐ Предыдущая1234567Следующая ⇒

Поделиться: