Лекция 6

КЕРАМИКА И СТЕКЛО

2222

КЕРАМИКАКЕРАМИКА ИИ СТЕКЛОСТЕКЛО

Керамика (др.-греч. κέραµος — глина) — изделия изнеорганических, неметаллических материалов(например, глины) и их смесей с минеральнымидобавками, изготовляемые под воздействием высокойтемпературы с последующим охлаждением.В узком смысле слово керамика обозначает глину, прошедшую обжиг.

3333

КЕРАМИКАКЕРАМИКА ИИ СТЕКЛОСТЕКЛОВ настоящее время керамика применяется как индустриальныйматериал в:машиностроенииприборостроенииавиационная промышленности и др. строительствехудожественном делемедицине и науке.

В XX столетии новые керамические материалы были созданыдля использования в полупроводниковой индустрии и др. областях.

4

Корродиенты для керамикиАгрессивные вещества, действующие на керамику, частопредставлены жидкостями:- растворы кислот, оснований и солей;-расплавы солей, стекол, шлаков, металлов.

•Особенно большое значение для огнеупоров (огнеупорнойкерамики) имеетшлакоустойчивость. Основная доля потерьв металлургических агрегатах приходится на разрушениеогнеупоров жидкими шлаками. •Коррозия жидкими агрессивными средами имеет место такжев химических реакторах, в доменных, мартеновских, стекловаренных печах, в конвертерах, установках длянепрерывной разливки стали и т. д.

5

Химическая стойкость керамикиХимическую стойкость керамики по видукорродиента подразделяют на:

кислотостойкую, щелочестойкую, стеклоустойчивую, металлоустойчивую, шлакоустойчивую и т. д. Взаимодействие керамики с агрессивными веществами зависитот химической природы агрессивной среды и керамики.

6

Для повышения химической стойкости керамики в первуюочередь необходимо уменьшать ее пористость, особеннооткрытую.

Другим эффективным способом является пропитка керамикиспециальными веществами, которые в дальнейшем:

-повышают вязкость пропитывающей агрессивной жидкости, - уменьшают смачивание поверхности пор жидкостью, - увеличивают химическую стойкость поверхностных слоевпор и т.д.

Увеличение стойкости керамики

7

Поверхностное натяжение керамикиПоверхностное натяжение σ агрессивной жидкости такжевлияет на химическую стойкость керамики. Оксидные расплавы обычно хорошо смачивают оксиднуюкерамику. Уменьшение смачиваемости приводит к уменьшениюглубины пропитки керамики. Увеличение поверхностного натяжения на границе жидкость— газ обычно уменьшает пропитку и способствует коррозиитолько с поверхности.На границе газ — жидкость — керамика, растворениекерамики идет более интенсивно, чем в глубине. Основной причиной этого явления считают изменениеповерхностного натяжения на границе с керамикой.

8

Многообразие и сложность процессов коррозии не позволяетвыработать универсально применимые испытания химическойстойкости керамики. Если для определения стойкости кислотоупоровсуществуют стандартные методы, то для испытанияшлакоустойчивости, стеклоустойчивости иметаллоустойчивости единых стандартных методов нет.

Для оценки химической стойкости керамики можноиспользовать изменения структуры, химического составаили свойств, имевшие место в результате коррозии вкерамике, в прилегающем к ней слое агрессивного веществаили в агрессивном веществе.

Оценка химической стойкости керамики

9

Современные виды керамики иногда делят на двегруппы: конструкционную и функциональную.

Под конструкционной понимают керамику, используемую для создания механически стойкихконструкций.

Под функциональной – керамику соспецифическими электрическими, магнитными, оптическими и термическими функциями.

Современные виды керамики

10

Типы керамикиВ зависимости от химического состава различаютоксидную, карбидную, нитридную, силицидную идругую керамику.

Оксидная керамика характеризуется: высоким удельным электрическим сопротивлением, пределом прочности на сжатие до 5 ГПа, стойкостью в окислительных средах в широком интервалетемператур; некоторые виды - высокотемпературнойсверхпроводимостью, (например иттрий-бариевая керамика),высокой огнеупорностью.

11

Карбидная керамикаК карбидной керамике относят карборундовую керамику, атакже материалы на основе карбидов Ti, Nb, W.

Все виды такой керамики обладают высокой электро- итеплопроводностью, огнеупорностью, устойчивостью вбескислородной среде (керамика на основе SiC, котораяустойчива до 1500 °С в окислительных средах).

Карборундовую керамику изготовляют из порошка SiC или обжигом С в Si. Она имеет высокий предел прочности при сжатии.

Карбидную керамику используют в качестве конструкционных матери-алов, огнеупоров, для изготовления высокотемпературных нагревателейэлектрических печей и инструментов в металлообрабатывающейпромышленности (керамика на основе карбидов W, Ti, Nb).

12

Нитридная керамикаК нитридной керамике относят материалы на основе BN, AlN, Si3N4, (U, Pu)N, а также керамику, получаемую спеканиемсоединений, содержащих Si, Al, О, N (по начальным буквамэлементов, входящих в керамику, ее называют "сиалон"), илисоединений, содержащих Y, Zr, О и N. Нитридная керамика характеризуется стабильностьюдиэлектрических свойств, высокой механическойпрочностью, термостойкостью, химической стойкостью вразличных средах. Керамические нитридные материалы применяют дляизготовления инструментов в металлообрабатывающейпромышленности, тиглей для плавки некоторыхполупроводниковых материалов, керамика из Si3N4 -конструкционный материал, заменяющий жаропрочные сплавыиз Со, Ni, Cr, Fe.

13

Силицидная керамикаСреди силицидной керамики наиболее распространенакерамика из дисилицида Мо. (MoSi2)

Она характеризуется малым электрическим сопротивлением, стойкостью в окислительных средах (до 1650°С), расплавах металлов и солей.

Изготовляется спеканием порошка MoSi2 с добавкамиY2O3 и других оксидов.

Применяют для изготовления электронагревателей, работающих в окислительных средах

14

Керамические материалыс химическими функциями

Учитывая, что в виде плотной, пористой или порошкообразнойкерамики могут быть приготовлены практически любыенеорганические вещества, естественно ожидать большогомногообразия их химических функций.

Хемосорбция различных газов на поверхности керамикисопровождается пропорциональным изменением ееэлектропроводности, что позволяет определить концентрациютех или иных компонентов газовой смеси. На этом принципеосновано действие большого числа газовых детекторов.

Керамические мембраны позволяют избирательно выделять иконцентрировать разнообразные вещества. Еще недавно ихизготовляли из нестойких полимеров, которые не способны противо-стоять экстремальным температурным и химическим воздействиям.

15

Так что же такое «Керамика»?

Понятие «керамика» в последнее времятрансформировалось.

Сейчас под керамикой понимают любыеполикристаллические материалы, получаемыеспеканием неметаллических порошковприродного или искусственного происхождения.

Это определение исключает из числа керамическихматериалов стекла, хотя нередко и их рассматривают какразновидность керамики.

16

Керамика в строительстве КИРПИЧ

До XIX века техника производства кирпичей оставаласьпримитивной и трудоёмкой. Формовали кирпичи вручную, сушили исключительно летом, а обжигали в напольныхпечах-времянках, выложенных из высушенного кирпича-сырца. В середине XIX века была построена кольцеваяобжиговая печь а также ленточный пресс, обусловившиепереворот в технике производства. В конце XIX века процессмеханизировали.

17

СТЕКЛО (неорганическое)Неорганическое стекло - этохимически сложный, аморфный, макроскопически изотропныйматериал, обладающиймеханическими свойствамихрупкого тела.

Стеклом называют все аморфные тела, получаемые путемпереохлаждения расплава, независимо от их химического состава итемпературной области затвердевания и обладающие в результатепостепенного увеличения вязкости механическими свойствами твердыхтел, причем процесс перехода из жидкого состояния в стеклообразноедолжен быть обратимым. Стекло получается после охлаждения расплава смеси неорганическихсоединений.

18

СТЕКЛО (неорганическое)Свойства стекол изотропны, при нагревании они не плавятсяпри строго постоянной температуре, а постепенно размягча-ются в определенном диапазоне, по структуре они истинныетвердые растворы.

Стеклообразующие вещества:Оксиды: SiO2, B2O3, P2O5, TeO2, GeO2

Фториды: AlF3и др.

Наиболее распространены стекла на основе диоксида кремния- силикатные стекла, широко используются также алюмо-силикатные, боро-силикатные стекла, и не содержащиекислород - халькогенидные стекла.

19

Химическая устойчивость стеклаХимической устойчивостью стекла называется егоспособность противостоять разрушающему действию воды, влаги, газов атмосферы, растворов солей и различныххимических реагентов.

Стекло, по сравнению с другими материалами, отличаетсявысокой химической устойчивостью, которая зависит отхимического состава стекла и природы действующегореагента.

Вода, щелочи и кислота в известных условиях могутразрушающе действовать на поверхность стекла, причемнаиболее интенсивно разрушает стекло вода.

20

ОсновныеОсновные промышленныепромышленные видывиды стекластекла•В качестве главной составной части в стекле содержится 70—75 % двуокиси кремния (SiO2).•Второй компонент — оксид кальция (CaO) — делает стеклохимически стойким и усиливает его блеск. На стекло он идёт ввиде извести. •Следующей составной частью стекла являются оксидыщелочных металлов — натрия (Na2O) или калия (K2O), нужныедля плавки и выделки стекла. На стекло они идут в виде соды(Na2CO3) или поташа (K2CO3), которые при высокойтемпературе легко разлагаются на окиси. •Различаются три главных вида стекла:•Содово-известковое стекло (1Na2O : 1CaO : 6SiO2)•Калийно-известковое стекло (1K2O : 1CaO : 6SiO2)•Калийно-свинцовое стекло (1K2O : 1PbO : 6SiO2) хрусталь