Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Химическая технология нефть и способы ее переработки, пиролиз древесины, косвенные способы измерения физических величин в технологии, анализ газовых с
.pdf
121
газонепроницаемый слой. Металлизацию керамики осуществляют с целью изготовления контактных площадок для создания
электрических цепей, а иногда и для соединения деталей друг с
другом. Нанесение металлических слоев на керамику осуществляют вжиганием металлосодержащих паст, химическим осаждением металлов из водных растворов, вакуумным напылением,
ультразвуковым лужением и др.
Для контроля качества керамических деталей чаще всего используют рентгеновскую и ультразвуковую дефектоскопию, образцы конструкционной керамики испытывают на прочность,
функциональной – на соответствие заявленным свойствам.
6.4. Состав керамики
Керамический материал состоит из нескольких фаз. Основными
фазами являются кристаллическая (одна или несколько) и стекловидная. Кристаллическая фаза определяет характерные свойства керамического материала и представляет собой химические
соединения или твердые растворы этих соединений. Основные
физические свойства керамики – электрические, пьезоэлектрические, магнитные, температурный коэффициент линейного расширения, механическая прочность – во многом зависят от особенностей кристаллической фазы. Стекловидная фаза находится в керамическом материале в виде прослоек, связывающих кристаллическую фазу. Количество стекловидной фазы и ее состав определяют в основном технологические свойства керамики – температуру спекания, степень пластичности керамической массы при
формовании. От содержания стекловидной фазы зависит также
плотность, степень пористости и гигроскопичность материала.
Наличие газовой фазы (газы находятся в закрытых порах) обусловлено способом обработки массы и приводит к снижению механической и электрической прочности керамических изделий, а
также вызывает диэлектрические потери при повышенных
122
напряженностях поля вследствие ионизации газовых включений.
Поры ухудшают свойства керамики, особенно при повышенной
влажности. Однако высокая пористость может быть фактором,
обусловливающим высокие теплоизоляционные свойства. В таком
случае в шихту могут специально вводиться порообразователи –
вещества, выделяющие газы при обжиге.
Преимуществом керамики является возможность получения
заранее заданных характеристик путем изменения состава массы и технологии производства. Такие свойства керамических
материалов, как высокая нагревостойкость, отсутствие у большинства материалов гигроскопичности, хорошие электрические
(пьезоэлектрические, сегнетоэлектрические) и магнитные характеристики при достаточной механической прочности, стабильности характеристик и надежности, стойкость к воздействию излучения высокой энергии, и использование достаточно
дешевого и доступного сырья обеспечили их широкое применение в различных областях.
В зависимости от назначения керамики получение заданных
свойств изделий достигается подбором сырьевых материалов и
добавок и особенностями технологии. Основным сырьем в керамической промышленности строительных материалов являются
глины и каолины вследствие их широкого распространения и
ценных технологических свойств. Важнейшим компонентом исходной массы при производстве тонкой керамики (посуда, фаянс, фарфор) являются полевые шпаты (главным образом микроклин) и кварц. Однако повышенные и резко дифференцированные требования, предъявляемые к керамике металлургией,
электротехникой и приборостроением, обусловили развитие
производства различных видов технической керамики на основе
чистых оксидов, карбидов и различных соединений.
Наиболее распространенной среди строительной, огнеупорной, посудной, санитарно-технической и лабораторной керамики является силикатная.
123
6.5. Структура силикатов
Силикаты представляют собой особый класс неорганических
соединений, основной структурной единицей которых являются
изолированные или связанные друг с другом кремнекислородные тетраэдрические группы [SiО4]4– (ортосиликатные ионы).
Размеры тетраэдрической группы [SiО4]4– в силикатах в зависимости от кратности связи и степени ее ионности колеблются в
сравнительно узких пределах; в частности, длина связи Si–О изменяется в среднем от 0,15 до 0,17 нм. В различных модификациях кремнезема при нормальной температуре длина связи Si–О составляет в среднем ≈ 0,162 нм, а расстояние между атомами кислорода ≈ 0,264 нм. Связь Si–О обладает сравнительно высокой
прочностью (энергия связи ≈ 374 кДж/моль). По современным
представлениям, силикаты как химические соединения занимают промежуточное положение между осно вными солями поликремниевых кислот (H2SiO3, H4SiO4 и т. д.) и сложными оксидами.
Одним из характерных свойств тетраэдрических групп [SiO4]
4–
является их способность объединяться друг с другом через общие атомы кислорода, называемые мостиковыми, с образованием связи Si–О–Si. Такое объединение может происходить только
путем обобщений вершин тетраэдра (а не ребер или граней),
причем каждая тетраэдрическая группа может иметь с соседними одну, две, три или все четыре вершины (т. е. общие атомы
кислорода). Благодаря этому создаются весьма разнообразные
по характеру сочетания взаимно связанных тетраэдрических
групп [SiO4]4–, образующих различные по составу и строению
крупные комплексы, которые в структуре силикатов называют
кремнекислородными мотивами или радикалами (рис. 9). Современная классификация структур силикатов основывается
именно на характере этих кремнекислородных мотивов.
Кроме кремнекислородных групп, в состав силикатов, которые
обычно отличаются довольно сложным химическим составом,
124
входят многие другие ионы, в частности Li, Na, К, Be, Mg, Са, Ti, Mn,
Fe, Zn, B, Al, Ba, О, H, F и т. д. Некоторые ионы, прежде всего Аl, В и
Be, обладают способностью имитировать кремний в кремнекислородном радикале, т. е. частично изоморфно замещать его, входя
в состав кремнекислородного мотива. Это объясняется способностью данных катионов образовывать с кислородом тетраэдрические координационные многогранники, размеры которых близки
к размерам кремнекислородного тетраэдра. В результате такого
замещения образуются так называемые смешанные кремнекислородные мотивы (в отличие от чистых кремнекислородных мотивов, содержащих только кремний и кислород).
Рис. 9. Структура решеток силикатов
Особую роль в силикатах играет алюминий, который в структуре может занимать двойственное положение. Катион Аl3+ крупнее
катиона Si4+, поэтому в силикатах Аl3+ встречается по отношению к
кислороду как в тетраэдрической координации (замещая Si4+, входит в состав кремнекислородного мотива), так и в октаэдрической
координации (находится вне кремнекислородного мотива).
Аl3+ может также частично входить в кремнекислородный мотив, а
частично находиться вне его. В смешанные кремнекислородные
мотивы могут входить и некоторые анионы (ОН–, F–), и нейтраль-
125
ные молекулы (Н2O), замещая анионы кислорода. Следует отметить, что не все анионы кислорода в силикатах обязательно входят в кремнекислородный мотив. Часть из них может оставаться
вне этого мотива в виде так называемых свободных анионов.
«Большинство из перечисленных катионов, входящих в состав
силикатов, такие, например, как катионы щелочных (Li, Na, К), шелочноземельных (Mg, Са, Be), переходных (Fe, Мn, Ti, Zr и др.) металлов, в кремнекислородные мотивы не входят, а располагаются вне
его. Они нейтрализуют заряд необобществленных атомов кислорода в кремнекислородном мотиве и связывают эти мотивы между
собой. Координационное число большинства металлов в силикатах
по кислороду обычно равно 6, а координационный многогранник –
октаэдр. Именно такую координацию имеют чаще всего Li, Mg, Са, Ti,
Sr, Мn, Fe. Тетраэдрическая координация в силикатах встречается у
Ti, Fe, Zn. Размеры таких тетраэдров существенно превышают размеры кремнекислородных тетраэдров, поэтому эти элементы, как
правило, не входят в состав кремнекислородного мотива. Крупные
однозарядные катионы, например Na+ и К+, могут иметь в силикатах
координационное число по кислороду, равное 8 и больше» [2].
Главным природным сырьем для получения силикатной керамики являются разновидности глины. Основным породообразующим минералом в глине является каолинит (Al₄[Si₄O₁₀](OH)₈), в
красножгущейся глине имеется ощутимая (до 25 %) примесь оксида железа. Такая глина используется для производства кирпича,
черепицы, гончарных изделий, декоративных поделок. Для изготовления фаянса, фарфора, огнеупоров и электротехнической керамики используется белая глина – чистый каолинит без примесей.
В зависимости от температуры спекания различают глины:
– низкотемпературные (спекание происходит при температуре до 1100 °С);
– среднетемпературные (спекание происходит при температуре от 1100 до 1300 °С);
– высокотемпературные (спекание происходит при температуре выше 1300 °С).
126
Экспериментальная часть.
Изготовление огнеупорной керамики
Огнеупорными считаются материалы, выдерживающие без
плавления температуры не менее 1580 °С. Огнеупорная керамика отличается от обычной тем, что содержит оксиды магния или
бериллия, замещающие оксид кальция. Также огнеупорные материалы могут содержать частицы предварительно обожженной
глины со связующими добавками.
Реактивы: глина шамотная огнеупорная; дробленый шамотный кирпич; жидкое стекло; вода.
Ход работы. Измельчают шамотный кирпич в фарфоровой
ступке до порошкообразного состояния. Делают навески из расчета 200 г сухой смеси в соотношении «глина : толченый шамотный кирпич» 7 : 3 (массовых частей). Тщательно гомогенизируют шихту. Часть шихты (примерно 1/5) отделяют от основной
части и сохраняют. Основную часть помещают в глубокую емкость и постепенно добавляют воду при непрерывном перемешивании. Нормальной консистенцией смеси является такая, когда глина пластична, но не прилипает к рукам. В случае добавления избытка воды в смесь досыпают немного сухой шихты. Доведенную до нормальной консистенции смесь несколько раз
тщательно переминают руками. К смеси прибавляют жидкое
стекло из расчета 17–20 мл на 100 г. Полученную массу еще раз
переминают до однородности, помещают в два полиэтиленовых
пакета и несколько раз с силой бросают на пол для удаления
накопившегося воздуха.
Полученной массы достаточно, чтобы изготовить два тигля
для алюмотермии. Гипсовую форму выстилают полиэтиленовой
пленкой так, чтобы концы пленки имели достаточную длину.
Глиняную массу по кусочкам вминают в полость формы, начиная
с донышка. Вминать нужно сильно, чтобы между кусочками не
оставалось щелей или трещин. Количество массы должно быть
127
таким, чтобы обеспечить толщину стенок не менее 7 мм. Сверху
уложенной массы накладывают еще один слой полиэтилена и
вставляют внутреннюю часть формы так, чтобы он плотно соприкасался с уложенной массой. Если часть массы будет при
этом выдавлена, ее удаляют. Из внешней формы вытягивают заготовку вместе с внутренней формой.
Аккуратно, чтобы не помять, удерживая заготовку рукой, вынимают сначала внутреннюю форму, потом внутренний слой
полиэтилена, затем заготовка освобождается от наружного слоя
полиэтилена. Заготовку ставят на лист бумаги или картона для
вольной сушки на неделю.
После высыхания сформованные тигли ставят в сушильный
шкаф с температурой 105–110 °С на один час для окончательного удаления влаги.
Высушенные тигли устанавливают в холодную муфельную
печь, нагревают до 800–850°С и выдерживают не менее трех часов. Спеченные тигли с помощью длинных тигельных щипцов
вынимают из печи, ставят на термостойкую поверхность и
охлаждают до комнатной температуры, после чего взвешивают.
Один из тиглей осторожно погружают в мерный цилиндр с
водой, выдерживают в цилиндре до полного окончания выхода
пузырьков воздуха, отмечают изменение уровня жидкости, после чего вынимают тигель из воды, промакивают его поверхность фильтровальной бумагой, чтобы на стенках не оставалось
капель и взвешивают повторно.
Принимая плотность воды за единицу, пористость изделия
рассчитывают по формуле:
где n – пористость, %;
∆m – разница масс мокрого и сухого тигля, г;
∆V – увеличение объема воды при погружении тигля, мл.
128
При наличии специальной пресс-формы изготавливают стандартные образцы для механических испытаний. После спекания
определяют их прочность на сжатие с помощью испытательного
пресса ПГМ-100МГ4:
• Включить пресс с помощью клавиши «Сеть». Проследить за
тем, чтобы рукоятка гидравлического клапана находилась в положении «Открыто». Убедиться, что нижняя плита пресса находится в исходном (крайнем нижнем) положении. Нажатием
кнопки «Режим» перейти в главное меню. С помощью кнопок «↑»
и «↓» выбрать режим «Испытание образцов». Выбор подтвердить нажатием кнопки «Ввод».
• Испытуемый образец установить строго по центру между
верхней и нижней плитами. С помощью регулировочного винта
установить зазор между верхней плитой и образцом от 3 до 4 мм.
• Нажатием кнопки «ВКЛ» включить пресс, после чего дисплей имеет вид из нескольких полей, значения которых можно
изменять, например: номер серии, номер образца, вид испытуемого материала, вид испытания, форма образца и т. д. Текущее
поле выделяется курсором, находящимся сбоку поля. Выбор поля осуществляется с помощью кнопок «↑» и «↓», подтверждение
выбора – кнопкой «Ввод», после чего кнопками «↑» и «↓» можно
изменять значение выбранного параметра. Фиксация измененного значения осуществляется нажатием кнопки «Ввод», после
чего производится переход на следующее поле.
• В поле «Вид испытуемого материала» выбрать значение
«Кирпич».
• В поле «Форма образца» выбрать значение «Куб».
• В поле «Вид испытания» выбрать значение «Сжатие».
• Кнопками «↑» и «↓» и «Ввод» выбрать ближайшие стандартные размеры образца, после чего теми же кнопками установить
реальные размеры образца с точностью 0,1 мм.
• В поле «Скорость нагружения» установить значение
0,6 МПа/с.
129
После ввода исходных данных на дисплее отображаются под-
сказки следующих действий, а именно:
• Убедившись в том, что клапан открыт, а зазор над образцом
выставлен правильно, нажать кнопку «Ввод». При этом на дисплее высвечивается надпись «Автоподстройка».
• Включить насос кнопкой «Пуск» и перевести рукоятку клапана в положение «Закрыто». В правом нижнем углу дисплея
отображается перемещение плиты в миллиметрах. После касания образцом верхней плиты и завершения автоподстройки
дисплей переходит к отображению возрастающей нагрузки в
килоньютонах. По достижении разрушения образца максимальное значение разрушающей нагрузки (Рк) сохраняется в верхней
строке, а в нижней строке (Р) обнуляется.
• После разрушения образца выключить насос нажатием кнопки «Стоп», перевести клапан в положение «Открыто», дождаться
опускания плиты в исходное положение и удалить с нее остатки
разрушенного образца.
• Нажать кнопку «Ввод». В верхней строке дисплея сохраняется значение разрушающей нагрузки, а в нижней появляется рассчитанное с учетом материала и размеров образца значение его
прочности в мегапаскалях.
Испытание следующих образцов проводят в том же порядке,
начиная с выбора режима. После окончания серии испытаний
выключают пресс клавишей «Сеть».
В отчете о проделанной работе указывают количества использованных веществ, режимы сушки и спекания, объясняют изменение цвета керамической массы, рассчитывают массовый выход
готовой керамики, приводят значения пористости и прочности.
Контрольные вопросы
1. Какие материалы называют керамикой? Характерные осо-
бенности и свойства керамики.
130
2. Основные операции технологического процесса в произ-
водстве керамики, их назначение и краткое содержание.
3. Движущие силы процесса спекания.
4. Различие понятий «обжиг» и «спекание».
5. Механизмы спекания.
6. Разновидности пластификаторов.
7. Методы формования керамической массы.
8. Факторы, влияющие на спекание.
9. Состав спеченной керамики.
10. Виды и назначение дополнительных операций в произ-
водстве керамики.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]