4.5. Неорганические конструкционные материалы

Примерами неорганических материалов являются графит, стекло, керамика, оксиды металлов и неметаллов и т.п. В их состав могут входит практически все элементы периодической системы Менделеева, и всевозможные их соединения. Среди положительных качеств неорганических материалов можно назвать тепло– , и химическую стойкость, высокую твердость и прочность, неорганические материалы обычно негорючи, многие огнеупорны, в отличие от органических материалов не подвержены старению. Но в то же время эти материалы, как правило, хрупкие, «боятся» резких скачков температур, довольно плотные и прочность на растяжение в несколько раз ниже прочности на сжатие. Рассмотрим подробнее свойства некоторых неорганических материалов.

4.5.1. Графит

Графит – это материал состоящий из атомов углерода С, которые образуют слоистый кристалл (Рис.56.). Четыре электрона на внешней оболочке углерода образуют три ковалентные связи и одну металлическую. Прочные ковалентные связи объединяют атомы в атомные плоскости. Вследствие этого прочность кристалла графита вдоль этих атомных плоскостей очень высокая. Между собой атомные плоскости связаны слабыми Ван-дер-ваальсовыми силами. Отсюда прочность графита перпендикулярно атомным плоскостям весьма малая. Одна металлическая связь придает ему хорошую электропроводность.

Т

Рис.56. Строение кристалла графита.

акое необычное строение кристалла приводит к очень интересным сочетаниям свойств графита. Он сильно анизотропен: длина ковалентной связи , а расстояние между атомными плоскостями намного больше и составляет . Вследствие прочности ковалентных связей температура плавления графита чрезвычайно высока . Графит является абсолютным рекордсменом термостойкости среди всех существующих материалов. Слоистая структура графита и слабая связь между соседними плоскостями обусловливают анизотропию всех физических свойств кристаллов графита во взаимно перпендикулярных направлениях.

Графит встречается в природе в естественном виде, а также получается искусственным путем (технический и пиролитический графит). Потребительские качества природного графита невысоки, он содержит много примесей, порист, непрочен, его свойства почти изотропны. Используется только в качестве антифрикционного материала. Более чистый технический графит получают из нефтяного кокса и каменноугольного пека при нагреве до температуры . Степень анизотропии его свойств достигает значения 3:1. Ещё более качественный графит получают в результате реакции пиролиза углеводородов (метана). Атомы углерода осаждаются на нагретых до температуры поверхностях, изготовленных из технического графита или керамики. После охлаждения и кристаллизации получается пиролитический графит. В этом случае степень анизотропии свойств достигает значения 100:1 и более. Его свойства приведены в табл.12.

Табл.12. Свойства пиролитического графита

										 , 10–6 1/К
	Растяжение		Сжатие
		//			//			//			//
2000–2200	–	120		470	120	2		370	24		0,023

где  – плотность, _в – прочность,  – коэффициент теплопроводности,  – коэффициент теплового расширения.

Как видно, один и тот же материал обладает совершенно разными свойствами по разным направлениям. Например, если его сориентировать перпендикулярно атомным слоям, то это будет теплоизолятор, а если параллельно – теплопроводник.

Проводящие свойства графита используются при изготовлении из него щеток электродвигателей, генераторов. Теплостойкость – при изготовлении сильно нагревающихся деталей конструкций летательных аппаратов и их двигателей, в энергетических ядерных реакторах. Из-за малого коэффициента трения графит используют в качестве антифрикционного материала, твердой смазки, которая сохраняет свойства при высоких температурах и при сильном охлаждении. Прочные углеграфитовые волокна добавляют в качестве наполнителя в композиционные материалы.