Кварцевая керамика - Пивинский Ю.Е.
Скачать (прямая ссылка):
Сырьем для производства прозрачного кварцевого стекла главным образом является горный хрусталь и высококачественные обогащенные кварциты [90]. Содержание Si02 в исходном сырье достигает 99,96—09,08%. В последние годы получили развитие методы получения прозрачного кварцевого стекла из синтетического сырья, по которым кремнезем изготовляют гидролизом или прямым окислением четыреххлористого кремния в высокотемпературном пламени. В таком материале содержание примесей значительно меньше, чем в материале, полученном на основе обычного сырья.
Основными промышленными способами получения прозрачного кварцевого стекла являются вакуумком-прессионный и газовый. Вакуумкомпрессионная плавка вначале осуществляется под 'Вакуумом, благодаря чему резко сокращается количество тазов, заплавляемых в стекло, а перед концом плавки вакуум заменяется давлением (при помощи инертного газа), в результате которого оставшиеся пузыри сжимаются и растворяются. Применяется также вакууматмосферный вариант этого
способа, при котором после плавки под вакуумом расплав кремнезема выдерживается под атмосферным давлением. \
Газовый способ плавки обеспечивает получение высококачественного стекла, пригодного для оптических целей. Он заключается в том, что мелкая шихта горного хрусталя (размер зерен 0,1—0,3 мм) при помощи дозатора подается в пламя горелок, работающих на водород-но-кислородной смеси. Зерна шихты нагреваются в пла-
1В
< 1
3
1100 1300 1500 1700 190П t,°C
Рис. 2. Вязкость кварцевого стекла по данным: /— Брюкнера; 2 — Иовановича; 3 — Соломина
мени и попадают на поверхность кварцевого стекла, нагретую до 2100—2150°С, расплавляются и, сливаясь друг с другом образуют прозрачное стекло. В случае применения синтетического кремнезема температура наплавления понижается до 1300—1400°С. Готовые изделия из кварцевого стекла производят из полуфабрикатов (трубок, стержней, блоков) путем термической и механической обработки. Разнообразные свойства кварцевого стекла детально описаны в работах [6, 7, 90, 91].
Одним из важнейших свойств исходного кварцевого стекла при получении из него керамики является его вязкость, которая изучалась во многих работах. Обобщающие данные по вязкости кварцевого стекла приведены в работах [89, 90]. На рис. 2 показана температурная зависимость вязкости кварцевого стекла, по данным трех авторов [91—93]. Как следует из рис. 2, разница в показателях вязкости достигает двух порядков. Одной из основных причин этого являются, видимо, различные характеристики стекол. Даже незначительные примеси ще-
.17
16
лочей или содержание групп ОН существенно понижают вязкость кварцевого стекла. Внедрение воды в кварцевое стекло лриводит к снижению ^язкости кремнезема
©следствие разрушения жестких •связей Э1—О—Б! и появления более гибких связей типа О—Э1—\Н...—О—81— —О—Н или им подобных. Этим «разупорядочением» структуры можно объяснить также и активирующее действие водяных паров на спекание керамических материалов. .Кварцевое стекло, полученное из синтетического кремнезема, содержит значительно больше воды, чем обычное, и поэтому, как правило, обладает и меньшей вязкостью.
Температура начала размягчения промышленных марок кварцевого стекла колеблется от 108р (спектросил) до 1300°С (электроплавленое). Энергия активации вязкого течения для различных типов кварцевого стекла составляет 125—140 ккал/моль [94]. В процессе кристаллизации вязкость кварцевого стекла возрастает. Так, кварцевое стекло с содержанием 12% кристобалита имеет вязкость при 1000°С на порядок большую, чем стекло, не содержащее кристобалит [6].
КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ АМОРФНОГО КРЕМНЕЗЕМА
кварцевое стекло и синтетический 8Ю2, как и всякие некристаллические тела, термодинамически неустойчивы, поскольку их свободная энергия больше свободной энергии любой кристаллической формы кремнезема. Их кристаллизация протекает при температурах выше 1О00°С и зависит от многих факторов.
Как .правило, большинство исследователей до последнего времени отмечали при кристаллизации аморфного ЭЮг образование кристобалита. Это обычно объясняют тем, что кварцевое стекло имеет кристобалитоподобную структуру, так что для образования зародышей кристобалита требуется наименее существенная перестройка структуры [89].
Рост кристаллов из зародышей кристаллизации начинается с поверхности. Загрязнения поверхности кварцевого стекла могут влиять как на скорость роста кристаллов, так и на число зародышей. Если примеси локализованы, поверхностные кристаллы распределяются островками. На кристаллизацию кварцевого стекла очень большое влияние оказывают различные примеси. Даже
18
• - \ -
\
\
обычное прикосновение пальцами к кварцевому стеклу приводит к незначительному отложению минеральных
солей, которых достаточно для существенного ускорения кристаллизации [92]. 1К аналогичному результату могут приводить соли, содержащиеся в водопроводной воде. Антикристаллизационная обработка кварцевого стекла может производиться огненной полировкой или травлением в соляной и плавиковой кислоте [6]. Кристаллизационная способность аморфного кремнезема определяется чистотой исходного материала (наличием в нем примесей), присутствием воды, газовой средой при термообработке, рядом технологических факторов и пр.
