Раздел 2. Неметаллические авиационные материалы. Тема 2.4

Раздел 2. Неметаллические авиационные материалы.
Тема 2.4. Силикатные материалы.
План лекции:
Литература и источники информации:
1. Общие сведения о силикатных материалах.
[8] c.186 -210, 211-256
2. Электротехнические стекла.
3. Стеклокристаллические материалы (ситаллы, микалекс).
4. Электротехнические керамические материалы.
1
Силикаты - соли кремниевых кислот (Н2SiO3), а также минералы, содержащие кремний.
Силикат образуется путем соединения диоксида кремния (SiO 2) и оксида другого химического
элемента. Более трети известных сегодня минералов относится к классу силикатов и
алюмосиликатов (силикатов, в которых часть атомов кремния заменена на атомы алюминия),
которые в совокупности составляют до 95% массы земной коры. Природные силикаты довольно
тугоплавки (1000-1300 °С, иногда до 2000 °С и выше), имеют относительно большую твердость,
химически пассивны, практически не растворяются в воде, при различной температуре они
могут находиться в твердом, жидком (расплавленном) или газообразном состоянии. К ним
относятся полевые шпаты, слюда, глины, асбест, граниты и др.
Рис.1. Природные минералы: (1) циркон - силикат циркония ZrSiO4, (2) голубой сапфир - силикат алюминия
Al2[SiO4](F, OH)2, (3) кварц - диоксида кремния (SiO2).
Природные силикаты и алюмосиликаты являются сырьем для силикатной
промышленности (керамическое, цементное и стекольное производство). Кремнезем (диоксид
кремния, кварц) служит сырьем для цементной промышленности - базовой в производстве
современных строительных материалов. Силикатные глины - основное сырье для изготовления
строительной керамики - кирпича и черепицы. Кварцевый песок используют для изготовления
стекла и керамики, в качестве различных
добавок и в чистом виде. Негорючий
гидросиликат асбест широко применяется для
изготовления
теплозащитных
изделий
и
покрытий. Силикат натрия (жидкое стекло)
используется
для
улучшения
качества
строительных и лакокрасочных материалов.
Пленка,
образующаяся
при
высыхании
растворимого силиката натрия, обладает
высокими
изолирующими
и
защитными
свойствами, препятствует коррозии, разрушению
и горению.
Рис.2. Жидкое стекло (силикат натрия).
2
Стеклами называются аморфные тела, получаемые путем переохлаждения расплава
независимо от их химического состава и температурной области затвердевания, приобретающие
в результате постепенного увеличения вязкости механические свойств твердых тел, причем
процесс перехода из жидкого состояния в твердое обратим. Стеклообразное состояние занимает
промежуточное положение между кристаллическим и жидким: по ряду свойств (твердость,
хрупкость, упругость) стекло сходно с типичными твердыми телами, но отличается от них
характерными для жидкостей отсутствием симметрии в структуре и связанной с этим
изотропностью свойств. Каркас стекла построен из структурных полиэдров (как и каркас
кристалла), образующих не упорядоченную кристаллическую структуру, а нерегулярную,
апериодическую сетку.
Рис.3.
Большая часть стекол, имеющие практическое значение, принадлежит к числу оксидных
(на основе оксидов SiO2, GeO2, As2O3, B2O3, P2O5) и в зависимости от химического состава
делятся на ряд классов и групп:
1) по виду оксида-стеклообразователя — силикатные (SiO2), боратные (B2O3), фосфатные
(P2O5), германатные (GeO2), алюминатные и алюмосиликатные, боросиликатные,
алюмоборосиликатные и т.д.;
2) по содержанию оксидов щелочных металлов — бесщелочные (не содержат оксидов
щелочных, но могут содержать оксиды щелочно-земельных металлов — MgO, CaO, BaO
и т.д.); малощелочные, многощелочные.
Производство стекла состоит из следующих процессов: подготовка сырьевых компонентов,
получения шихты, варки стекла, охлаждения стекломассы, формования изделий, их отжига и
обработки (термической, химической, механической), охлаждения. Обыкновенное белое стекло
получают сплавлением смеси соды и мела с большим количеством кремнезема (белого песка).
Состав этого стекла может быть выражен формулой — Na2O · CaO · 6SiO2.
Стекла обладают прозрачностью в видимой области спектра. Введение в их состав
специальных веществ (фторидов кальция, натрия или оксидов титана, циркония и фосфора)
приводит к образованию глушевых стекол, полностью непрозрачных или рассеивающих свет.
Для окрашивания стекла в его состав вводят небольшие количества оксидов переходных
элементов (оксид кобальта — синий цвет, оксид никеля — красный, зеленый, оксид хрома —
зеленый, оксид меди — голубой). Примеси оксидов железа делают стекло непрозрачным в
ультрафиолетовой области спектра. Примеси оксидов свинца и бария дают защиту от
рентгеновских лучей.
Электропроводность стекла очень низка (удельное сопротивление известково-натриевого
стекла составляет 1012 Ом/см). На этом основано применение стекла как электроизоляционного
материала (стеклянные изоляторы). При попадании воды на стекло электропроводность его
поверхностного слоя может повышаться, так как происходит частичное растворение щелочных
окислов с образованием электропроводной пленки. Для снижения поверхностной
электропроводности стекла обрабатывают водоотталкивающими составами (например, парами
хлорсиланов), при этом образуется слой, препятствующий проникновению влаги.
Электроизоляционные свойства стекла зависят от его состава и повышаются при увеличении
содержания кремнезема. Чистый плавленый кварц служит одним из лучших диэлектриков; его
удельное сопротивление составляет 1018 Ом/см. Достаточно высокое содержание примесей
оксидов щелочных металлов дает «нейтрализационный» эффект, который широко используется
при получении электроизоляционных стекол. При наличии в стекле ионов переменной
валентности (свинца, железа) может иметь место электронная проводимость — в этом случае
стекла могут быть полупроводниками.
Термостойкость стекла характеризуется его способностью выдерживать, не разрушаясь,
резкие изменения температуры и является важным показателем качества стекла. Толстостенное
стекло менее термостойко, чем тонкое. Оно нагревается медленно, поэтому когда наружные слои
уже нагреты и расширены, то внутренние еще охлаждены и сжаты, при этом возникают сильные
внутренние напряжения в стекле, которые могут быть причиной разрушения толстостенной
посуды. Сложная форма стеклянного изделия с неравномерными по толщине частями,
выступающими углами без плавного перехода понижает его термостойкость. Более термостойки
простые по форме изделия небольших размеров.
Таблица 1. Основные типы электротехнических стекол.
Рис.4. Электротехнические стекла: (1) — стекловолокно, (2) — стеклолента, (3) — стеклянный припой.
Кварцевое стекло - однокомпонентное стекло из чистого оксида кремния, получаемое
плавлением природных разновидностей кремнезема — горного хрусталя, жильного кварца и
кварцевого песка, а также синтетической двуокиси кремния. Обладает наименьшим среди стекол
на основе SiO2 показателем преломления и наибольшим светопропусканием, особенно для
ультрафиолетовых лучей, высокой термостойкостью и хорошими диэлектрическими свойствами.
Широко применяется при изготовлении высокоинтенсивных источников света, фотоэлементов и
фотоумножителей, оптических квантовых генераторов и пр. Кварцевое стекло применяют также
для изготовления изоляторов (особенно для высоких температур), изделий, стойких к
температурным колебаниям, термостойких огнеупорных материалов.
Рис.5. Электротехнические стекла: (1) — стеклянный изолятор, (2) — линзы и призмы из кварцевого стекла,
(3) — конденсаторное стекло (слюда).
Стекловолокно (стеклонить) — волокно или комплексная нить, формуемые из стекла. В
такой форме стекло демонстрирует необычные для стекла свойства: не бьется и не ломается,
легко гнется без разрушения. Это позволяет ткать из него стеклоткань. Основная область
применения стекловолокна и стеклотекстильных материалов, — использование в качестве
армирующих элементов стеклопластиков и композитов. Также стеклоткани могут
самостоятельно использоваться в качестве конструкционных и отделочных материалов. В этом
случае они зачастую подвергаются той или иной форме отделки, главным образом — пропитке
связующим (латекс, полиуретан, крахмалы, смолы. прочие полимеры).
Стеклоприпои находят широкое применение в сборке и герметизации микросхем и
полупроводниковых приборов. Стекла активно используется для защиты микросхем от внешних
воздействий, поскольку их газопроницаемость лишь немногим уступает металлам, и
существенно превосходит полимерные материалы. Стеклянные припои оплавляются при
относительно низких температурах и хорошо подходят как для корпусной герметизации (пайка
крышек), так и для бескорпусной герметизации, где требуется защита при повышенных
температурах (300-400С). Стеклянный порошок, как правило, смешивается с органическими
связующими для получения пастообразной массы, которая впоследствии используется в
производстве. Паста наносится методом трафаретной печати или дозированием. Если
используется преформа то, она помещается между основанием микросхемы и крышкой. После
нанесения пасты или после сборки с использование преформ, стеклянный припой оплавляется.
При этом создается прочное, надежное герметичное соединение. Существует вариант
стеклоприпоя с серебряным наполнителем. Такой стеклоприпой имеет высокую
теплопроводность, используется для монтажа мощных кристаллов и в случаях, когда необходимо
обеспечить электрический контакт.
Слюда употребляется главным образом как очень хороший изолятор электричества, не
теряющий свои свойства при нагревании даже до закаливания. Благодаря мягкости и гибкости
листков слюды, их можно разрезать ножницами и при помощи штампования. Такими способами
приготовляют прокладки для коллекторов динамомашин; листы слюды служат для
измерительных конденсаторов (микрофарад), а из измельченных обрезков в смеси с шеллаком
приготовляют искусственную изолирующую массу, так наз. "миканит".
3
Ситаллы (стеклокерамика) — стеклокристаллические материалы, полученные объемной
кристаллизацией стекол, и состоящие из одной или нескольких кристаллических фаз,
равномерно распределенных в стекловидной фазе. Ситаллы обладают малой плотностью (они
легче алюминия), высокой механической прочностью, особенно на сжатие, твердостью,
жаропрочностью, термической стойкостью, химической устойчивостью и другими ценными
свойствами. Ситаллы имеют большинство положительных свойств, которые есть у стекла, в том
числе и технологичность. По теплопроводности ситаллы в результате повышенной плотности
превосходят стекла. Термостойкость высокая в интервале температур 50-9000°С. Существуют
ситаллы со специальными свойствами: прозрачные, магнитные, полупроводниковые,
радиопрозрачные и другие. Ситаллы применяются для изготовления деталей, требующих
прочности и термостойкости (корпуса приборов, шкалы, образцовые меры, подложки
микросхем, моноблоки резонаторов лазерных гироскопов, защитные оболочки лазерных
гироскопов систем навигации современных самолетов), а также для изготовления прозрачной
кухонной посуды (предназначена для микроволновых печей) и непрозрачной (янтарного,
непрозрачно-белого - для любых нагревателей) и зубных протезов.
Рис.6. Стеклокерамические изделия: резонатор лазерного гироскопа и кухонная емкость.
Микалекс — материал, получаемый из прессованной и термически обработанной смеси
мусковита (калиевой слюды) и легкоплавкого стекла. Микалекс — твердый, плотный материал.
Негигроскопичен. Обладает высокой стойкостью как к высокой температуре (до 800 °C), так и к
ее резким колебаниям. Является хорошим изолятором. Допускает механическую обработку, в
частности, резку и шлифовку. Микалекс используется в электровакуумной технике (держатели
мощных ламп, гребенки катушек индуктивности, платы и т.п.), в радиотехнической и
электротехнической промышленности для изготовления плат, панелей воздушных
конденсаторов, деталей мощных колебательных контуров, где важны стойкость к воздействию
высокой температуры и дуговых разрядов.
4
Электротехническая керамика представляет собой материл, получаемый из формовочной
массы заданного химического состава из минералов и оксидов металлов. Основными сырьевыми
материалами служат огнеупорные глины, кварц, пегматиты, полевые шпаты, каолины, глинозем,
ашарит и циркон (для производства соответственно глиноземистого, ашаритового и цирконового
фарфора), мел и доломит (в качестве плавней в глазури) и др. В электрической и
радиоэлектронной промышленности керамическая технология широко применяется для
изготовления диэлектрических, полупроводниковых, пьезоэлектрических, магнитных,
металлокерамических и других изделий.
Электрофарфор — основной керамический материал, который используется в
производстве широкого ассортимента низковольтных и высоковольтных изоляторов и других
изоляционных элементов с рабочим напряжением до 1150 кВ переменного и до 1500 кВ
постоянного тока. Преимущества электрокерамики перед другими электроизоляционными
материалами — возможность изготовления изоляторов сложной конфигурации и широкий
интервал спекания, дешевое производство и простая технология производства. Электрофарфор
выдерживает поверхностные разряды, слабо подвержен старению, стоек к воздействию
атмосферных осадков, многих химических веществ, солнечных лучей и радиации. Изделия из
электрофарфора покрывают глазурями, что уменьшает возможность загрязнения, улучшает
электрические и механические свойства, а также внешний вид.
Таблица 2. Основные классы электротехнических керамических материалов.
Рис.7. Изделия из электрофарфора.