59. Неорганические материалы. Графит, керамика, неорганическое стекло, ситаллы, свойства и область применения

1. Графит⁷² – неорганический полимер, является одной из аллотропических разновидностей углерода⁷³. Графит встречается в природе, но в основном его получают искусственно путем нагрева антрацита без доступа воздуха (пирографит). Графит имеет гексагональную слоистую кристаллическую решетку (рис. 59. 1) и является «паркетным» полимером. Атомы углерода внутри слоев связаны прочными ковалентными силами, а в соседних слоях – слабыми ван-дер-ваальсовыми.

Рис. 59.1. Структура графита

Такая структура обуславливает сильную анизотропию всех свойств кристаллов графита во взаимно перпендикулярных направлениях, в том числе, способность к расслаиванию и скалыванию. Между слоями имеются свободные электроны, сообщающие графиту тепло- и электропроводность а также металлический блеск.

Плотность графита 2,25 г/см³. Графит обладает высокой огнеупорностью (не плавясь, он возгоняется при ~ 3800^оС), причем, при нагреве он аномально упрочняется – при 20^оС σ_в= 20 МПа, а при 2500^оС графит прочнее всех тугоплавких металлов. Из него изготавливают нагревательные элементы, работающие в вакууме или нейтральной атмосфере, а также тигли для плавки меди и тугоплавких цветных металлов с температурой до 2500^оС и огнеупорную футеровку плавильных печей. Графит обладает высокими антифрикционными свойствами, служит твердой смазкой. Благодаря высокой электропроводности графит применяют для изготовления электродов дуговых печей и токосъемных щеток электродвигателей и генераторов. Кроме того, графит используется в качестве поглотителя нейтронов в ядерных реакторах.

К неорганическим полимерным материалам также относят керамику, минеральное стекло, ситаллы и др. Этим материалам присуща негорючесть, высокая стойкость к нагреву, химическая стойкость, твердость и т. п. Однако они, как правило, отличаются повышенной хрупкостью, плохо противостоят растягивающим нагрузкам и резкой смене температур. Основой этих материалов являются оксиды и бескислородные соединения металлов.

2. Керамика⁷⁴– это неорганический, довольно хрупкий и твердый материал, получаемый из отформованных минеральных порошков в процессе высокотемпературного спекания при температуре 1200…2500^оС. Керамика чаще всего представляет собой изотропный пористый материал, содержащий кристаллическую и аморфную фазы. Наиболее широко распространена керамика на основе чистых оксидовAl₂O₃(корунд),ZrO₂,MgO,BeO. Керамику изготавливают также из бескислородных соединений, типаMeB, MeC, MeN, которые отличаются повышенной твердостью, износостойкостью и огнеупорностью до 3500^оС. Пористую керамику используют в качестве огнеупорных материалов, фильтров, диэлектриков в электротехнике и электронике, декоративной плитки и кирпича в строительстве, сантехнических изделий, посуды и т. п. Более прочную и плотную керамику применяют для изготовления абразивного инструмента, вставок для лезвийного инструмента (резцов, фрез), фильер для волочения проволоки, жаропрочных деталей поршневых и газотурбинных двигателей, подшипников трения и качения, защиты головных частей ракет и спускаемых космических аппаратов и т. п.

3. Неорганическое (минеральное) стеклоимеет плотность 2,0…2,6 г/см³ и представляет собой затвердевший расплав кислотных и основных оксидов. Неорганическое стекло имеет аморфную структуру с ближним порядком расположения атомов. Каркас стекла представляет собой неупорядоченную пространственную сетку из кремнекислородных тетраэдровSiO₄, которые соединяются своими вершинами – рис. 59.2. Углы α между связями кремний – кислород в соседних тетраэдрах меняются в широких пределах (120…180^о), чем и объясняется их неупорядоченное расположение в стекле.

Рис. 59.2. Расположение кремнекислородных тетраэдров в стекле

В зависимости от состава стеклообразующих оксидов различают силикатное, алюмосиликатное, боросиликатноеи алюмоборосиликатноестекло, в которых часть кремния может быть замещена атомами алюминия и бора, а в промежутках между кремнекислородными тетраэдрами возможно нахождение атомов натрия и калия. Введение натрия и др. модификаторов разрывает прочные связиSi–O–Si(рис.59.3) и снижает прочность, термо- и химическую стойкость стекла, одновременно облегчая и удешевляя технологию его производства.

Кварцевое стекло состоит из чистого кремнезема (99,5 %SiO₂). Оно отличается уникальными оптическими свойствами, повышенной прочностью, химической стойкостью, очень низким тепловым расширением, плавится при температуре выше 1700^оС, выдерживает перепад температур до 1000^оС и хорошо пропускает ультрафиолетовое излучение, поэтому из него изготавливают химическую аппаратуру и посуду, баллоны дуговых ламп, световоды для оптических линий связи и т. п.

Рис. 59.3. Пространственная сетка стекла:

а) кварцевого; б) натрийсиликатного

Из разнообразных сортов стекла изготавливают детали оптических приборов, стекловату, стекловолокна и стеклоткани, применяемые в различных отраслях промышленности. Более высокими механическими свойствами обладают закаленные стекла с упрочненной поверхностью и триплексы, представляющие собой слоеный пирог из стекла и полимерных пленок. Рядовое натрийсиликатное стеклошироко применяется в строительстве и быту (оконное стекло, стеклоблоки, посуда, стеклотара).

Безосколочное стекло – триплекссостоит из нескольких склеенных между собой слоев силикатного и органического стекла или прозрачных полимерных пленок. Для повышения безопасности часто применяют более прочные, закаленные стекла, которые при сильном ударе распадаются на мелкие фрагменты. Безосколочные стекла применяют для остекления самолетов, автомашин, судов, а также приборов, работающих при повышенных температурах и давлениях.

Пеностеклополучают вспениванием расплавленного стекла при 700…900 °С путем введения газообразующих веществ (мела, угля, кокса). Пеностекло имеет плотность 0,15…0,80 г/см³, его используют в качестве тепло- и звукоизолирующего материала. Применение 1 т пеностекла в строительстве позволяет экономить 85…90 т красного кирпича. Пеностекло используют также для изготовления фильтров, от которых требуется высокая химическая стойкость.

4. Ситаллы(стеклокерамика)–стеклокерамические материалы на основе стекла, отличающиеся от последнего кристаллической структурой, подобной керамической, но с более мелкими (от долей мкм до 1…2 мкм) кристаллами и более плотной их упаковкой, исключающей какую-либо пористость материала. Ситаллы получают путем введения в стеклянную массу катализаторов, способствующих созданию центров кристаллизации. Повторный нагрев стекломассы до температуры 400…600 °С вызывает образование кристаллов. Степень кристаллизации ситаллов доходит до 95 %. Ситаллы имеют высокую твердость, термостойкость (до 700…800°С) и химическую устойчивость. Из ситаллов изготавливают обтекатели управляемых снарядов, поршни и цилиндры двигателей внутреннего сгорания, обоймы подшипников для работы без смазки при температурах до 540 °С, трубы для химической промышленности и диэлектрики для радиоэлектроники. Ситаллы также используют в качестве жаростойких покрытий металлов для защиты от высоких температур.