Кварцевая керамика - Пивинский Ю.Е.
Скачать (прямая ссылка):
*
Рте. 1. Диаграмма превращений кремнезема по Фешнару (о) и Прянишникову (о)
Образует модификации второго порядка (а- и В-кварц, а- В- и ^-тридимит, а- и В-кристобалит). Превращения внутри одной модификации (В отличие от взаимных превращений модификаций происходят быстро.
13
/
В последние годы выполнен целый ояд работ по изучению системы кремнезема, в результате которых были синтезированы при высоких давлениях новые модификации— коэсит, китит, стишовит, волокнистая модификация кремнезема, кварцевое стекло-с высокой плотностью.
Применительно к технологии и высокотемпературной эксплуатации кварцевой керамики представляет интерес рассмотреть поведение чистого кремнезема. Под термином «чистый кремнезем» [7] приняты все модификации кремнезема,, содержащие примеси в сумме не более 0,01%. В последние годы в целом ряде работ [7, 82— 88] было показано, что в случае чистого кремнезема* триди-мит не является самостоятельной фазой. В связи с этим ¦в диаграмму состояния БЮг, по Феннеру,были внесены существенные коррективы. На рис, 1,6 представлена диаграмма состояния чистого кремнезема, по Прянишникову [7], наиболее полно отражающая новые данные о превращениях БйСУг. "'' ' .
Жак следует из диаграммы, для случая чистого кристаллического кремнезема устойчивый при температуре ниже 573°С низкотемпературный (В) кварц при нагревании обратимо превращается в высокотемпературный (а) кварц. Последний является стабильным до температуры 1400—1450°С. При нагревании выше этой температуры а-кварц испытывает одновременно два превращения в а-кристобалит и в аморфную фазу переменной плотности, которая при дальнейшем повышении температуры дает расплав. При температуре 1723°С а-кристобалит Плавится с образованием расплава, который при охлаждении постепенно увеличивает вязкость й застывает, образуя кварцевое стекло.
Высокотемпературный (а) кристобалит, стабильный в интервале 1400—1723°С при охлаждении до 220—270°С превращается в В-кристобалит. Кроме того, кварцевое стекло в определенных условиях при температуре выше 1100—1200°С тоже может превращаться в а-кристобалит. Температура перехода кристаллического или аморфного кремнезема в а-кристобалит может существенно понижаться при наличии даже малого количества примесей и особенно щелочей. Существенно отличается и температура перехода в кристобалит для аморфного и кристаллического БЮг. Так, если бразильский кварц превращается в кристобалит при температурах ~ 1600°С, то кварцевое стекло,.или гель кремнекислоты — уже при
14
\
температуре ~ Ш0°С. Понижение температуры кристаллизации для аморфного кремнезема обусловлено меньшей разницей свободной энергии и меньшей энергией активации процесса. \
\
КВАРЦЕВОЕ СТЕКЛО
Кварцевое стекло является единственным однокомпо-нентным оксидным стеклом, выпускаемым промышленностью. Оно—простейший представитель группы силикатных стекол и поскольку исследователи не без основания полагали, что легче и с большим успехом можно понять структуру и свойства однокомпонентного стекла, чем одно из многокомпонентных, то стекло это, естественно, исследовали. Оказалось, однако, что простота .кварцевого стекла обманчива. Этот материал обладает многими специфическими особенностями и сложной природой. Кварцевое стекло проявляет большую чувствительность к примесям, чем исследованные многокомпонентные стекла [89].
Кварцевое.стекло получают путем плавления природных разновидностей кремнезема — горного хрусталя, жильного кварца и кварцевых песков, а также синтетической двуокиси кремния. Различают два основных вида кварцевого стекла — прозрачное стекло и непрозрачное. Технология производства кварцевого стекла сильно отличается от методов варки и выработки обычных промышленных многокомпонентных стекол, что обусловлено целым рядом причин — высокой температурой плавления кремнезема, исключительно высокой вязкостью расплава, невозможностью осветления стекломассы и сильным испарением расплава при высоких температурах. В связи с этим для получения кварцевого стекла приходится применять специальные методы плавки, связанные с вакуумом и повышенным давлением, пользоваться высокотемпературными электрическими и газовыми печами сложной конструкции и сравнительно небольшого объема. Формование изделий из кварцевого стекла осуществляется машинами, рассчитанными на создание больших усилий в короткий промежуток времени [90].
Сырьем для получения непрозрачного кварцевого стекла служат высококачественные кварцевые пески. Их обогащают на сотрясательном столе, промывают и сушат, Содержание ЭЮг в обогащенном песке должно
15
быть не менее 99,6—99,7%. Размер зерен, как правило,
составляет 0,2—0,35 мм. /
Наплавление заготовок осуществляется в электрических печах сопротивления с 'графитовыми и угольными нагревателями. После плавки из Заготовок, находящихся в пластичном состоянии, формуются изделия. Чаще всего формование производится вне печи, что упрощает ее конструкцию.
'В зависимости от типа изделий различают следующие методы формования: растяжка блока в трубу, раздувка блока в формы, прессование блока на гидропрессе. Температурная область формования непрозрачного кварцевого стекла находится в интервале 1550—1650°С. Основным способом формования наплавленного блока в изделие является раздув массы сжатым воздухом в чугунные формы. Давление воздуха при раздуве составляет 5—8 ат. В дальнейшем изделия подвергаются механической и термической обработке. Обязательной операцией при изготовлении толстостенных или крупногабаритных изделий из кварцевого стекла является отжиг. Внутренние остаточные напряжения в изделиях, достигающие до отжига 90—120 кгс/см2, начинают уменьшаться при температуре 850—900°С и практически исчезают при 1080— 1100°С[90].
