Последние достижения. Сиалоны – нитридные огнеупорные материалы

 

Нитрид кремния Si₃N₄ – инертный материал, который устойчив при более высоких температурах, чем многие металлические сплавы. Поэтому в последние годы он находит широкое применение как весьма эффективный высокотемпературный конструк­ционный материал для изготовления керамических лопаток га­зовых турбин. Одной из трудностей производства изделий из нитрида кремния как соединения с ковалентным характером химической связи является получение плотно спеченной керамики. В начале 70-х годов в США при изучении процессов спекания Si₃N₄ открыт совершенно новый класс химических веществ, который назван сиалонами. В состав этих веществ входят четыре элемента Si, Al, O, N (отсюда и название – сиалон), а также ряд других элементов, внедряющихся в кристаллическую решетку сиалонов. Сиалоны – оксонитридные фазы, структура которых построена из тетраэдров (Si, Al) (О, N)₄, сочлененных в трех­мерный каркас. Некоторые сналоновые фазы характеризуются прекрасными механическими свойствами и устойчивостью в ус­ловиях действия химических агрессивных сред при высоких тем­пературах. Спекание сиалонов осуществляется более просто, чем спекание нитрида кремния. Несомненно, в ближайшее время эти материалы могут найти широкое применение.

Сиалоны представляют интерес и для кристаллохимиков. Многие из этих фаз изоструктурны известным силикатам, напри­мер:

1). YSiO₂N изоструктурен волластониту СаSiO₃. Его кристал­лическая решетка состоит из бесконечных цепей (SiO₂N)^3-, ана­логичных метасиликатным цепям (SiO₃)^2-;

2). Y₂O₃•Si₃N₄ или Y₂Si[Si₂O₃N₄] изоструктурен акерманиту Ca₂MgSi₂О₇;

3). Y₅(SiO₄)₃N изоструктурен апатиту Са₅(РО₄) ₃ОН;

4). Li₂SiА1О₃N – кристобалитоподобная фаза, в которой ионы Li⁺ занимают междоузлия в каркасе кристобалитоподобной структуры.

Совсем недавно было найдено, что некоторые композиции в системе MgO—Si₃N₄ могут быть получены в стеклообразном состоянии. Поскольку добавление небольших количеств нитрида в оксидные стекла ведет к повышению температуры стеклова­ния T_g., новые стеклообразные материалы, содержащие большое количество нитрида кремния, могут также иметь весьма инте­ресные свойства, например могут быть устойчивыми при высоких температурах.

 

 

Огнеупорные материалы

К огнеупорным материалам относятся такие керамические изделия, которые сохраняют свои механические свойства при высоких температурах и достаточно хорошо сопротивляются воздействию различных реагентов (газов, расплавленных шлаков и металлов). Они оцениваются следующими свойствами:

1. Огнеупорность – температура разложения изделий.

2. Механическая прочность.

3. Термическая устойчивость – сопротивление к резким перепадам температуры.

4. Химическая стойкость – стойкость к воздействию химических реагентов.

Огнеупорные изделия изготавливаются из смеси различных компонентов, которые не имеют определенной температуры плавления, т.к. переходят из твердого состояния в жидкое в интервале температур.

Сырьем для производства огнеупоров являются:

1. SiO₂ – кремнезем.

В зависимости от температуры протекают следующие превращения

β -кварц α -кварц α -тридимит α -кристобалит жидкость

573 870 1470 ~1763

2. Al₂O₃ – глинозем.

Наиболее устойчивые модификации

α -Al₂O₃ γ -Al₂O₃ α -Al₂O₃ расплав

300-930 930-1200 2050

γ -Al₂O₃ – кубическая решётка

α -Al₂O₃ – ромбоэдрическая решётка

3. СаО, МgО.

Образуют различные химические соединения с SiO₂, Al₂O₃ при высоких температурах типа хМеО•ySiO₂(Al₂O₃).

I. Простые огнеупоры

Все простые огнеупорные материалы получают исходя из диаграмм SiO₂–Al₂O₃ и SiO₂–Al₂O₃–СаО

Муллит 3Al₂O₃•2SiO₂ обладает высокой химической стойкостью и огнеупорностью (t_пл = 1910°C).

Все простые огнеупорные материалы в соответствии с этими диаграммами делятся на следующие группы:

1. Динас SiO₂ – 96%, Al₂O₃ – 2%, CaO – 2%, огнеупорность 1690–1720°C

2. Полукислые огнеупоры SiO₂ – ~80%, Al₂O₃ – ~20%, огнеупорность 1630–1700°C

3. Шамот SiO₂ – 60%, Al₂O₃ – 40%, огнеупорность 1600–1770°C

4. Высокоглинозёмистые огнеупоры SiO₂ – 40%, Al₂O₃ – 60%

5. Плавленый муллит SiO₂ – 28%, Al₂O₃ – 72%

6. Корундовые огнеупоры, огнеупорность > 1950°C

7. Глинозёмный цемент SiO₂ – 10%, Al₂O₃ – 50%, CaO – 40%

8. Известковые огнеупоры SiO₂ – 22%, Al₂O₃ – 3%, CaO – 70%

9. Портландцемент SiO₂ – 20%, Al₂O₃ – 10%, CaO – 70%

10. Основные шлаки

11. Кислые шлаки

Диаграмма в более простом варианте:

 

II. Магнезиальные огнеупоры.

Они представляют собой высокоогнеупорные материалы, содержащие не менее 90% MgO. При хорошей огнеупорности (до 1900–2000°C) они обладают низкой термостойкостью. Однако чистая переплавленная в электропечах MgO обладает высокой огнеупорностью (до 2800°C), высокой термостойкостью и химической стойкостью к расплавленным силикатам.

III. Специальные огнеупоры.

1. Хромо-магнезитовые (Cr₂O3, MgO, SiO₂), огнеупорность ~2000°C. Используют при кладке сводов мартеновских печей и тиглей для плавки металлов.

2. Углеродистые огнеупоры. Изготовлены из графита. В восстановительной среде выдерживают до 3500°C, не разъедаются шлаками и силикатами.

3. Карборунд – технический SiC, огнеупорность до 2500°C. Применяются для плавления кварца, изготовления нагревателей в электропечах.

4. Изделия из ZrO₂, огнеупорность до 2000°C. Применяются тигли из ZrO₂ для плавления кислых и щелочных расплавов.

5. Нитриды и карбиды некоторых элементов. Это особо огнеупорные материалы.

BN –	3000°C	TaC+ZrC –	3900°C
TiC+TiN –	3200°C	TaC+HgC –	4200°C

 

 

⇐ Предыдущая234567891011Следующая ⇒

Поделиться: