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

маниевый фотодиод ФД-К1, имеющий спектральный диа­ пазон чувствительности 0,3—1 мкм и максимум чувстви­ тельности при 0,8 мкм. Измерения показали, что степень черноты кварцевой керамики в диапазоне 0,3—1,0 мкм при 1000°С менее 0,1.

Основным фактором, определяющим іхарактер зави­ симости интегральной степени черноты, является смеще­ ние по мере увеличения температуры1спектра излучения в сторону более коротких волн, для которых кварцевое

что подтверждается экспериментально’.

Температурная зависимость степени черноты кварце­ вой керамики представлена на рис. 100. Измерения про­ водились на образцах толщиной 2 мм с пористостью

11% [193].

Введение в кварцевую керамику до 3% окиси хрома существенно повышает степень черноты, не оказывая большого влияния на другие свойства. Повышение сте­ пени черноты объясняется увеличением поглощения •керамики за счет присутствия непрозрачной окиси

хрома.

Снижение степени черноты чистой кварцевой керами­ ки до 0,4 наблюдается до 1000°С, а затем она возраста­ ет вплоть до температуры плавления, достигая 0,80. Из­ менение степени черноты чистой и легированной СггОз кварцевой керамики для высоких температур дано на рис. 101 [36].

Введение всего 1—2,5% легирующей добавки обеспе­ чивает увеличение степени черноты кварцевой керамики при температурах выше 1900°С более чем в два раза,

192

Тот факт, что температура измерения превышает температуру плавления (см. рис. 101), свидетельствует о том, что эксперимент проводился на расплавленном и аблирующем материале.

Fete. 101. Степень черноты чистой кварцевой керамики н легиро­ ванной двуокисью хрома

Спектр излучения аблирующего плавленого кварца приведен на рис. 102, где для сравнения представлены также кривые излучения абсолютно черного телапри разных температурах [194]. Если исходить из того, что температура кипения и абляции кварцевого стекла и кварцевой ке­ рамики равна 2800°С, то интегральная сте­ пень черноты по дан­ ным рис. 102 не превы­ шает 0,4.

Изменение пористо­ сти кварцевой керами­ ки может оказать суще­ ственное влияние на ее степень черноты, так как у пористых матери­ алов излучающая по­ верхность более разви­ та. По литературным данным, увеличение шероховатости поверх­ ности ощутимо влияет

193

ристостью 59°/о интегральная степень черноты составляла при 1000°К 0,57, а для плотного 0,86 [’230]. Однако для кварцевой керамики конкретные данные по зависимости степени черноты от пористости пока отсутствуют.

Коэффициент теплового расширения

При повышении температуры атомы вещества приоб­ ретают вое большую энергию, и амплитуды их колебаний около равновесного состояния увеличиваются, причем увеличиваются больше в направлении уменьшения меж­ атомных сил. Соответствующее отклонение межатомных расстояний от среднего значения и обусловливает уве­ личение геометрических размеров между атомами, мо­ лекулами и вещества в целом. Дополнительный вклад в сторону уменьшения или увеличения теплового расширения вещества может давать изменение углов связи между атомами.

Величины и удельная значимость этих составляющих и определяют абсолютное значение и температурную зависимость теплового расширения материалов, в ча­ стности кварцевого стекла. Так как тепловое расшире­ ние материала определяется только изменением состоя­

же определяется и тот факт, что тепловое расширение кварцевой керамики, как и других материалов, мало зависят от пористости, влажности и технологических режимов .получения.

Измерения, проведенные авторами на образцах кварцевой керамики разной плотности из разных тех­ нологических партий, показали, что тепловое расшире­ ние кварцевой керамики соответствует тепловому рас­ ширению кварцевого стекла с разбросом, не превышаю­ щим ошибки измерения. С учетом всего этого в дальней­ шем правомерно характеризовать тепловое расширение кварцевой керамики и данными по тепловому расшире­ нию кварцевого стекла.

Тепловое расширение вещества характеризуется обычно истинным коэффициентом теплового расшире­ ния, т. е. коэффициентом теплового расширения (КТР) при данной температуре, и средним коэффициентом теп­

лового расширения, т, е. коэффициентом теплового рас­

ширения, усредненным на рассматриваемый интервал температур.

Зависимость истинного КТР кварцевого .стекла в интервале от 270 до 1200°С, по .обобщенным данным ра­ боты [196], показана іна рис. 103. Отличительной осо­ бенностью этой зависимости является ее сложный .харак­ тер и очень малое значение истинного КТР во всем диапазоне температур— на порядок ниже КТР окисных керамических материалов. В этом отношении кварцевое

4

■стекло и керамика на его основе являются уникальны­ ми материалами.

При температуре 200°С коэффициент теплового рас­ ширения кварцевой керамики, по нашим измерениям и

кварцевой керамики 7941М [190]. Наблюдаемое резкое уменьшение размеров образца после 1100°С вызвано на-

195

Т а б л и ц а 13. Истинный коэффициент теплового расширения кварцевого стекла

чалам кристаллизации, сопровождающейся появлением кристобалита и резким уменьшением объема вещества. Плотность кварцевого стекла в аморфном состоянии равна 2,202, а кристобалита 2,32 г/ом3. Эта разность плотностей вызывает уменьшение геометрических разме­ ров. Абсолютная величина этого изменения зависит от

На рис. 105 показано, по [48] тепловое расширение трех видов керамики: содержащей крнстобалит (кри­ вая 2), без него (кривая 1) и эталона кристобалита (кривая 3). Как следует из рисунка, кристобалитсодержащая керамика (кривая 2) обладает пониженной по сравнению с эталоном температурой перехода ß- в а-кри- стобалит (170—180°С), что характерно для плохо упо­ рядоченного кристобалита [1—5].

196

В іряду случаев в плотноспеченных образцах были замечены отдельные образования кристобалита, кото­ рые, однако, не повышали заметно КТР [51]. Как было подтверждено петрографическими исследованиями, этот факт объясняется тем, что вокруг кристобалитных обра­ зований в материале образуются определенные разры­ вы, составляющие по ширине несколько процентов от диаметра кристабалитных включений. Образуются они, по всей видимости, вследствие превращения а- в ß-кри- стобалит, сопровождающегося существенным уменьше­ нием объема. При нагревании же материала обратное превращение ß- в а-кристобалит происходит с расшире­ нием кристобалитных образований с заполнением мест разрыва без общего удлинения образца. Поэтому толь­ ко определенное равномерно распределенное количество кристобалита может повысить КТР материала.

Здесь еще раз целесообразно отметить, что переход кварцевого стекла'и керамики на его основе из аморфно­ го состояния в кристаллическое при температуре 1100°С не является обязательным фазовым превращением мате­ риала. Поэтому при эксплуатации допустимы многократ­ ные нагревы и охлаждения кварцевой керамики вплоть до расплавления без появления кристаллических фаз. Практический опыт эксплуатации изделий из кварце­ вой керамики полностью подтвердил это.

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Механические свойства кварцевой керамики в боль­ шей степени, чем какие-либо другие, определяются ее керамоподобной структурой, в частности зернистым строением и пористостью. Это предопределяет основные закономерности изменения механических свойств от по­ ристости и технологических факторов. Аморфная струк­ тура отдельных зерен проявляет себя в температурной зависимости прочности.. По данным авторов, микротвер­ дость кварцевой керамики, определяемая в пределах одного зерна, в зависимости от пористости изменяется от 1300 до 2500 кгс/мм2. Измерение проводилось на мик­ ротвердомере ПМТ-3 при нагрузке на индѳнтор 20 г. Твердость плотной (пористость 3%) кварцевой керами­ ки, по Моосу, равна 5,5 [202]. С увеличением пористо­ сти до 20% твердость уменьшается в два-три раза. Кроме того, твердость в значительной мере зависит от степени спекания керамики. ' -

197

Высокая твердость кварцевой керамики затрудняет обработку изделий из нее. Поэтому для обработки при­ ходится применять шлифование с использованием ал­ мазного инструмента. По этой же .причине не удается применять токарную обработку каким-либо инстру­ ментом.

Прочность при изгибе

По литературным данным, показатели предела проч­ ности кварцевой керамики при изгибе изменяются в ин­

механической прочности кварцевой керамики, исследо­ ванной в большинстве работ [12, 13, 16, 19, 20, 37, 38, 42], является малая степень спекания, а также высо­ кая пористость или частичная кристаллизация мате­ риала.

В работах отмечается снижение прочности кварце­ вой керамики по мере увеличения плотности после дости­ жения ее определенного значения. Это обусловлено тем, что для достижения более высоких значений плотности требуются повышенные температуры спекания, что при­ водит вместе с тем и к увеличению содержания крнстобалита. Например, в работе [37] керамика, обожженная

ний, обусловленных разностью коэффициентов теплово­ го расширения аморфной и кристаллической фаз.

В работе [12] установлено, что прочность при изгибе кварцевой керамики на основе синтетического кремне­ зема достигает максимальны« значений (300 кгс/см2) при содержании кристобалита до 5%.

На рис. 106 показано изменение прочности кварце­ вой керамики при изгибе в зависимости от температуры обжига и содержания кристобалита, образовавшегося в процессе обжига. Время обжига для всех температур составляло 2 ч [16].

В условия« эксперимента наблюдалось повышение прочности, хотя .содержание кристобалита увеличилось. Это можно объяснить одновременным возрастанием

.198

занные свойства достигаются при низких показателях объемного изменения материала при спекании.

В качестве примера влияния исходной характеристи­ ки полуфабриката на прочностные свойства кварцевой керамики на рис. 107 показана зависимость средних зна­ чений сгпзг от пористости .материала, полученного из четырех различных партий шликерных отливок [51]. Различные значения пористости материала достигались регулированием температуры спекания в интервале

Ряс. 107. Зашсимость предела прочяостя гиря изгибе кварцевой

Как следует из рисунка, характер изменения стизг от пористости для различных партий существенно отлича­ ется. Прочность керамики, полученной на основе отли­ вок с повышенной пористостью и крупным зерновым со­

270 кгс/см2. Для отливок тонкодиспѳрснего состава и с несколько меньшей пористостью (кривые 2) наблюда­ ется более резкий рост отИзг и более высокие макси­ мальные ее значения (до 420 кгс/см2). Наиболее резкий

200