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

сжатии. Для высокоплотной кварцевой керамики коэф­ фициент Пуассона равен его значению для кварцевого стекла и составляет 0,168 [205].

Для кварцевой керамики с пористостью 16% приво­ дится значение коэффициента Пуассона 0,17 [204], что хорошо согласуется с данными для плотной керамики и стекла.

По сравнению с другими керамическими материала­ ми кварцевая керамика имеет несколько меньший ко­ эффициент Пуассона, что в некоторой мере повышает ее термостойкость.

Пластическая деформация

Как уже отмечалось, кварцевая керамика, являясь аморфным материалом, не имеет четко выраженной температуры плавления, и ее необратимая деформация должна плавно возрастать с ростом температуры по мере уменьшения вязкости кварцевого стекла, измене­ ние которой было показано ранее. В твердом состоянии аморфное вещество имеет коэффициент динамической вязкости более ІО13 — ІО14 Я ["201] .

t°c

Рис. 114. Кривые деформации об­ разцов под нагруз­ кой 2 кгс/смй

212

С увеличением пористости эффективная вязкость уменьшается. В диапазоне температур 1100—1700°С по­ ведение кварцевой керамики под действием напряжений в 2 кгс/см2 по методике [220] исследована в работе [691 Полученные кривые деформации показаны на рис. 114. Характер кривых деформации аналогичен для образцов

активации оценена в ПО и 150 ккал/моль для керамики с пористостью 5—10 и 2,5%. Рассмотренные выше иссле­ дования отражают характер поведения кварцевой кера­ мики. Однако они проводились при очень малых напря­ жениях и не ■позволяют'рассчитать поведение материала в реальных условиях эксплуатации, поскольку для этого необходимы данные по ползучести при одноосном растяжении и сжатии.

ТЕРМОСТОЙКОСТЬ

В связи со стремительными темпами развития ядерных реакторов, ракетной техники и энергетических уста­ новок все более остро стоит проблема температурных

213

напряжений, возникающих в материалах. Этот все воз­ растающий интерес к относительно старой проблеме обусловлен необходимостью повышения эффективности установок за счет повышения рабочих температур и удельных тепловых нагрузок.

Из множества материалов условия работы установки выделяют, как правило, узкоограниченный ряд. Однако неизменным требованием к большинству материалов для современной темники является хорошая сопротив­ ляемость температурным напряжениям. Эта характери­ стика матералов, которая раньше интересовала только узкий круг специалистов огнеупорной промышленности, и требовала в крайнем случае лишь увеличения продол­ жительности процессов, сейчас все более заявляет о се­ бе и становится важнейшим фактором, принципиально определяющим возможность использования данного ма­ териала в современной технике.

Кварцевая керамика по термостойкости является уникальным материалом. Ее термостойкость превышает даже термостойкость кварцевого стекла, являющегося в этом отношении эталоном. Если термостойкость квар­ цевого стекла составляет 800—1000°С по ГОСТ 11103—64, то термостойкость кварцевой керамики по этому методу вообще определить! не удается из-за отсутствия разру­ шения даже при оплавлении.

Термостойкость не является обычным свойством ма­ териала, как например, теплоемкость или коэффициент термического расширения, а является комплексной ха­ рактеристикой материала и конструкции. Теоретический анализ тепловых напряжений для стационарных и не­ стационарных температурных полей показал, что термо­ стойкость тем лучше, чем ниже коэффициент термичес­ кого расширения, модуль упругости, и чем выше проч­ ность, теплопроводность и пластичность.

Из конструктивных факторов на термостойкость влияют форма и размер изделия, состояние поверхности и условия теплообмена в условиях эксплуатации или испытаний.

Чрезвычайно высокая термостойкость кварцевой ке­ рамики, как и кварцевого стекла, обусловлена ее низким коэффициентом теплового расширения-, являющимся по физической сущности первопричиной тепловых напряже­ ний.

В табл. 16 приведены для сравнения расчетные значе-

214

В отличие от 'монолитного кварцевого стекла квар­ цевая керамика состоит из отдельных зерен, сцепление которых друг >с другом можно регулировать степенью спекания, получая как жесткий прочно спаянный каркас зерен, так и слабо связанные друг с другом зерна. На­ личие зернистого строения и пор ограничивает распро­ странение случайных трещин и способствует их локали­ зации. Поэтому термостойкость кварцевой керамики больше термостойкости кварцевого стекла и изменяется в зависимости от пористости и степени спекания.

Экспериментально термостойкость кварцевой кера­ мики была исследована совместно с В. Г. Веревкой. Ме­ тод определения термостойкости путем .сбрасывания на­

вести испытания при воздействии выеокоинтенсивных потоков. Одна из методик заключается >в облучении ис­ следуемого образца кварцевой керамики в фокусе кон­ центратора лучистой энергии, состоящего из двух пара­ болических зеркал диаметром 900 мм, установленных соосно и навстречу друг другу [197].

В фокусе одного из них горит угольная дуга мощно­ стью 18 нВт, а -в фокусе другого помещается образец. Пластинчатые жалюзи, установленные между зеркала­ ми, позволяют частично или полностью закрыть поток лучистой энергии, направляемой на образец. Термостой-

916

Когда образцы кварцевой керамики помещали строго в фокальную плоскость, то примерно через 30 с после начала 'Облучения наблюдали оплавление и интенсивную сублимацию материала. Расплавленный материал не стекает, а сразу сублимирует. Выше.края кратера обра­ зуется налет в виде белого порошка. К моменту начала плавления и сублимации температура в центре противо­ положной стороны не превышала 150—200°С, а на пери­

ферии — 70—100°С.

Термостойкость кварцевой керамики была также ис­ следована путем сбрасывания образцов в расплавлен­

ный алюминий шли баббит марки Б-83.

Образцы состояли из двух пластин толщиной 10— 14 мм каждая. Размер сторон колебался от 60 до 140 мм. При испытаниях пластины склеивались по всей плоско­ сти соприкосновения, или по кромке иа 15—30 мм от

Рис. 117. Изменение темпе­ ратуры образца в процессе нагрева:

1 — вблизи поверхности; 2— в центре образца

торцов. Это позволяло изменять напряженное состояние пластин на внутренней поверхности. Склеивание осуще­ ствлялось клеями, в частности ВК-13 или высокотем­ пературными цементами типа ВЦ-1.

В качестве расплава первоначально былиспользо­ ван алюминий. Его температура повышалась от опыта к опыту с 1200 до 1740°С. Начальная температура об­ разцов соответствовала комнатной.

Время выдержки образцов в расплаве изменялось от 13 до 70 с,- На рис. 117 показаны экспериментальные кривые изменения температуры образца на расстоянии 0,5 и 9 мм от наружной поверхности. Первоначальная температура расплава 1680°С. Образец был склеен из двух пластин с пористостью 11,3% и толщиной по 10 мм. Максимальный перепад достигал 900°С на 8,5 мм тол­ щины.

217

Кривые рис. 1.17 одновременно характеризуют также отличные теплоизоляционные -свойства кварцевой кера­ мики. Ни один из испытывавшихся образцов не разру­ шился. На их .поверхности наблюдалась точечная кри­ сталлизация, поверхностные слои после выдержки в

Рис. 118. Устойчивость керамических материалов к тер­

ный); 5 — пнрокедам 9606; 6 — ВеО; 7 — Л12Оэ

расплаве остекловывались. На внутренней «поверхности и с торцов при температурах расплава выше 1600°С по­ являлись сетки мелких поверхностных трещин. Сквоз­ ных трещин не было.

Подогрев образцов «перед окунанием в расплав алю­ миния до 300—400°С, чтобы исключить появление на их поверхности корки застывшего алюминия, снижающей теплоотдачу, также не приводил к разрушению.

Увеличение толщины каждой из двух пластин до 20 мм только увеличивало остекл "жывание на поверхно­ сти. Разрушения образцов не наблюдалось при выдерж­ ках до 70 с. Большие выдержки вызывали локальную поверхностную кристаллизацию и сколы в этих местах.

Только применение в качестве расплава баббита, дающего повышенный коэффициент теплоотдачи, и пред­ варительного подогрева образцов до 160—180°С позво­ лило получить полное разрушение «образцов высокоплотной кварцевой керамики с закрытой пористостью

218

в несколько .процентов. Образцы имели матовый вид непрозрачного кварцевого стекла. Температура баббита в этом .случае достигала 1660°С. Потрескивание было слышно как при погружении в ванну, так и при охлаж­ дении. Время до полного разрушения 13 с.

Образцы кварцевой керамики с пористостью выше 10% довести до разрушения не удалось независимо от их толщины, времени выдержки и температуры расп­ лава.

Таким образом, из результатов экспериментального исследования термостойкости по двум вышеописанным методам следует, что кварцевая керамика с пористостью выіше 10% не разрушается от тепловыя напряжений, не­ зависимо от величины перепада температуры по толщи­ не образцов.

Такая высокая термостойкость, помимо низки« зна­ чений коэффициента теплового расширения и модуля упругости объясняется также и тем, что уже при темпе­ ратурах выше 1100°С имеет место релаксация возни­ кающих тепловых напряжений за счет пластической де­ формации нагретых слоев материала. Перепады же тем­ ператур до 1100°С кварцевая керамика выдерживает за счет низких значений коэффициента теплового расшире­ ния и модуля упругости.

В работе [15] описан эксперимент, в котором на ци­ линдрические образцы из кварцевой керамики диамет­ ром 1,27 см направлялась струя кислородноводородного двигателя. Скорость струи в 2,5 раза превышала ско­ рость звука, а тепловой поток на торце образца дости­ гал 11,7- ІО6 ккал/(ч-м2). При таких условия« экспери­ мента нагреваемый торец образца сразу плавился, и про­ исходила абляция материала. Разрушения за счет теп­ ловых напряжений также не наблюдалось, хотя проти­ воположная сторона стержня имела комнатную темпе­ ратуру.

На рис. 118 дано сравнение устойчивости к термо­ удару кварцевой керамики и других радиопрозрачнык материалов, пригодных для антенных обтекателе^ ле­ тательных аппаратов [36]. На оси ординат даны вели­ чины максимального перепада температур, который мо­ жет выдержать материал без разрушения в зависимости от интенсивности теплообмена с окружающей атмосфе­ рой, характеризуемого произведением коэффициента теплообмена на толщину стенки обтекателя. Данные

219

получены для случая одностороннего нагрева, расчетные значения свойств материалов взяты при комнатной тем­ пературе. За предельное значение принимался перепад температур между средой и образцом, при котором теп­ ловые напряжения в материале достигали его прочности при растяжении.

На рис. 118 особо отмечены значения, соответствую­ щие условиям аэродинамического нагрева при скоростям полета 3; 5 и ЮМ и толщинах стенки в 6,35 и 12,7 мм.

Перепады температур, выдерживаемые кварцевой керамикой, перекрывают весь диапазон температур: от комнатной до полного расплавления материала незави­ симо от интенсивности теплообмена с окружающей сре­ дой. Поэтому разрушения кварцевой керамики в режи­ ме однократного термоудара невозможно, независимо от толщины образца и интенсивности теплового потока на его поверхности. В этом отношении кварцевая керамика является уникальным материалом. По этой же причине она является и уникальным теплоизоляционным мате­ риалом, обладая наряду с высокой термостойкостью низкой теплопроводностью.

Рассмотренные результаты испытаний и теоретичес­ кие оценки справедливы для однократного теплового цикла. Если условия эксплуатации требуют многократ­ ных термоциклов, то следует учитывать структурные из­ менения, накапливающиеся в материале. К таким из­ менениям относится появление кристобалита и изменение объема слоев материала, нагретых до оплавления. Оплавление приводит к уплотнению материала в слое и вызывает уменьшение его линейных размеров, что рав­ нозначно появлению остаточных деформаций, а значит и остаточных напряжений. Поэтому многократное теп­ ловое воздействие (в частности, при облучении в фо­ кусе концентратора лучистой энергии) приводило к растрескиванию кварцевой керамики в зоне ее оплавле­ ния, При отсутствии оплавления кварцевая керамика выдерживает многократные температурные циклы.

В работе [49] отмечается, что образцы из кварцевой керамики с пористостью 18—20% выдерживали до по­ явления трещин 40 термоциклов (напрев до 1300°С, охлаждение в воде). После появления первых трещин образцы еще выдерживают до полного разрушения бо­ лее 20 термоциклов. Появление кристобалита ухудшает термостойкость. Экспериментально это подтверждено

220