книги из ГПНТБ / Пивинский, Ю. Е. Кварцевая керамика

Ю.Е. ПИВИНСКИЙ, А. Г. РОМАШИН

КВ А Р Ц Е В А Я

КЕ Р А М И К А

* - ", ‘ " ‘МОСКВА

--«МЕТАЛЛУРГИЯ»

1974

опыт и результаты собственных исследований авторов по теорети­ ческим основам технологии и свойствам нового керамического ма­ териала — кварцевой керамики. Изложены и проанализированы ос­ новные физико-химические, коллоидно-химические и реологические положения, являющиеся теоретической основой получения кварце­ вой керамики. Особое место уделено процессу шликерного литья. Книга содержит отечественные и зарубежные данные по основным физико-механическим, теплофизическим, электрическим и оптичес­ ким свойствам кварцевой керамики; подробно освещены вопросы ее термостойкости. Даны основные сведения по применению квар­ цевой керамики в металлургии, химической промышленности, ра­ кетной, авиационной и атомной технике. Книга рассчитана на ши­ рокий ируг читателей: научных работников, конструктоіров, инже­ неров и техников. Ил. 132. Табл. 20. Список лит.: 231 назв.

040(01)—74

ВВЕДЕНИЕ

Кремнезем SiCK является самым распространенным веществом в природе. По средним оценкам в земной ко­ ре содержится 58,3% кремнезема, причем в виде само­ стоятельных пород — около Г2% [іі—7]. Искусственные материалы на основе кремнезема — силикатные стекла, цемент, бетон, огнеупоры, традиционные виды керамики, эмали и др. — играют большую роль в жизни человека и

Среди материалов, создаваемых на основе кремнезе­ ма, особое место принадлежит кварцевому стеклу. Квар­ цевое стекло обладает комплексом ценных физико-хими­ ческих свойств; термостойкостью, огнеупорностью, хи­ мической и радиационной стойкостью, прозрачностью в широком диапазоне длин волн, высокими электроизоля­ ционными свойствами [6, 7]. Способы получения изде­ лий из кварцевого стекла резко отличаются от методов, принятых в технологии обычного стекла. Последнее обу­ словлено исключительно высокой вязкостью расплава кремнезема даже при температурах, превышающих 2000°С, и вместе с тем повышенной его летучестью.

Еще до недавнего времени изготовление образца оп­ тически прозрачного бездефектного куска кварцевого стекла массой 1 кт представляло настолько трудную за­ дачу, что стоимость изделий из такого стекла приравни­

связи с этим ведутся интенсивные поиски методов фор­ мования изделий из него.

В последние годы эта проблема успешно решается применением принципов керамической технологии, вслед­ ствие чего устраняются ограничения в отношении вели­ чины и конфигурации изделий, получаемых из кварцево­ го стекла. В отличие от многих известных областей при­ менения кварцевого стекла в оптике применение его в технике высоких температур в большинстве случаев не ■предъявляет каких-либо требований к его оптическим свойствам. Материалы, получаемые на основе кварцево­ го стекла по керамической технологии по сравнению с кварцевым стеклом, обладают, кроме того, повышенны­ ми термостойкостью и теплоизоляционными свойствами.

6

Первые сведения по изготовлению изделий из кварце­ вого стекла на основе его іТорошков и связки из гелеоб­ разного кремнезема, согласно обзору [8], были изложе­ ны в патенте США1 в 1926 г. Согласно другому патенту ОША12 и статье [9], -изделия из кварцевого стекла пред­ лагалось получать остекловыванием посредством крат­ ковременной (10—15 мин) термообработки при темпера­ турах более 1600°С заготовок из кристаллического крем­ незема, полученных по керамической технологии. В од­ ном из пунктов этого патента указывалось, что данным методом могут быть получены изделия с использованием

вкачестве исходного материала кварцевого стекла.

В1942 г. было предложено получать изделия из стеклообразного кремнезема посредством термообработ­ ки при 1200—1500°С керамических заготовок, изготов­

ленных из активного тонкодисперсного аморфного SiO^, полученного при разложении различных силиконовых соединений3.

В работе [10] впервые было указано на возможность применения процесса шликерного литья для получения изделий из стеклообразного БіОг. В этой же работе бы­ ла показана возможность получения литейных масс (без связки) на основе кристаллического кремнезема.

Первые работы в СССР по получению материала из кварцевого стекла по керамической технологии, соглас­ но устному сообщению и упоминанию в работе [11], бы­ ли проведены в 1942 г. Н. В. Соломиным. В качестве метода формования при этом использовался процесс шликерного литья из водных суспензий.

Таким образом, материалы, состоящие из стеклооб­ разного кремнезема и изготовленные по керамической технологии, могут быть получены с использованием сле­ дующих «сходных видов SiC>2 : кварцевого стекла, синте­ тического аморфного кремнезема и кристаллического кремнезема. Практический ■интерес.представляют матери­ алы, изготовленные на основе кварцевого стекла, в мень-' шей степени — на основе синтетического аморфного кремнезема, который, как сообщается [12, 13], применя­ ют в тех случаях, когда необходимо получение керамики высокой чистоты (например, для варки некоторых марок сверхпрозрачных стекол). Кроме того, некоторые из вп-

7

дов синтетического S1O2 (например, кабосил) применяют вследствие того, что последние обладают повышенной устойчивостью к кристаллизации [14].

Изготовление материалов на основе кристаллическо­ го кремнезема технологически трудно и практического интереса, видимо, не представляет.

Кварцевой керамикой называютіматерналы, получае­ мые преимущественно из кварцевого стекла по керами­ ческой технологии. В качестве исходного сырьевого ма­ териала может применяться и синтетический аморфный кремнезем. До настоящего времени отсутствует четко установленная терминология для наименования керами­ ческих материалов из кварцевого стекла. Так, в амери­ канской литературе применяется термин «плавленый ■кварц, полученный шликер-ным литьем»,в ГДР —'«кера­ мика из кварцевого стекла» и «непрозрачное кварцевое стекло, полученное шликерным литьем». В CGGP пред­ ложены термины «кварцевая керамика», «кремнеземная стеклокерамика», «керамическое кварцевое стекло», «керсил». Нам представляется наиболее .целесообраз­ ным термин «кварцевая керамика», принятый во многих из опубликованных работ.

Первые публикации по технологии, свойствам и при­ менению кварцевой керамики относятся к I960 .г. [15, 16]. В .последующие годы опубликована большая серия как зарубежных [14—36], так и отечественных работ [Ы—ііЗ, 37—81] по различным вопросам, связанным с технологией получения, свойствами и применением квар­ цевой керамики.

Книга состоит из четырех глав. В главе I приведены толькоте общие сведения о кремнеземе и кварцевом стекле, которые необходимы в дальнейшем при рас­ смотрении технологии получения п свойств кварцевой керамики.

Глава II, занимающая по объему более половины книги, посвещена технологии изготовления кварцевой керамики. При этом особое место уделено процессу шлнкерного литья как основному методу формования изде­ лий из кварцевой керамики. При изучении указанного процесса работами как одного из авторов [61, 71—75, 77, 7-8], так и сотрудниками [43—(53, 59,60, 63, 79—81], по­ казана возможность получения суспензий кварцевого стекла с объемной концентрацией твердой фазы до 80— 85% (с влажностью 7—10%), которые могут быть пол-

8