Неметаллические неорганические конструкционные материалы

Неметаллические неорганические
конструкционные материалы
Основные параметры конструкционных материалов:
1.
Механические свойства
Упругие модули:
сжатие
растяжение
сдвиг
пластичность
хрупкость
твердость
2. Термическая стойкость
к окислению
к фазовым переходам (в т.ч. плавлению)
Fe 1536oC
W 3395oC
MgO 2800oC
Al2O3 2060oC
SiC
2700oC
HfC
3890oC
3Al2O3*2SiO2 1850oC
муллит
3. Химическая стойкость в условиях эксплуатации
кислоты
щелочи
окислители
HF
др. вещества, специфичные для условий эксплуатации
4. Оптические (цвет, прозрачность, ...), электрические,
теплофизические и др. св-ва
5. Стоимость
Керамика в истории человека
появление керамики
неолит
ок. 5 т. лет до н.э.
возможность варки пищи
Археология – отнесение культур по типам керамики
(орнамент)
3 - 2-е т.л. до н.э. - появление росписи ( энеолит )
Керамика как стройматериал:
глинобитные жилища (Трипольская культура 4-3 т.л. до н.э.)
Начало обработки металлов
керамические тигли, литейные формы, сопла горнов, ...
Огнеупоры
огнеупорные
высокоогнеупорные
высшей огнеупорности
1580 – 1770oC
1770 – 2000oC
>2000oC
футеровка печей
металлургия
оборудование для высокотемпературных химических процессов
каменное литье – продукт переплавки горных пород
кремнеземистые (динасовые, >93% SiO2) 1680 –
1730oC
алюмосиликатные:
полукислые (<28% Al2O3) 1710oC
шамотные (28 – 45% Al2O3) 1730oC
высокоглиноземистые (>45% Al2O3) 1800oC
муллит 3Al2O3*2SiO2
корунд Al2O3 (алунд)
Доломитовые – обжиг MgCO3 + CaCO3 >1800oC
Магнезиальные (> 80% MgO)
MgO
Форстерит (Mg2SiO4)
>1900oC
2800oC
1850oC
Цирконистые:
циркон (ZrSiO4) 1900 – 2000oC
бадделеит (ZrO2) >2000oC
фазовый переход куб.-монокл. => растрескивание
добавки MgO, CaO, Y2O3 - стабилизация ZrO2(к)
Карбидкремниевые SiC (20-100%), могут включать связки Si3N4,
Si2ON2, алюмосиликаты – СИАЛОН
SiC 2700oC
>1300oC окисление на воздухе
Спекание
увеличение площади контакта между частицами (помол)
компактирование (+пластификатор)
повышение коэф. поверхностной диффузии (легирование)
введение небольшого количества жидкой фазы
повышение Т
Строительные материалы
Бетон
наполнитель
+
(песок, щебень)
вяжущее
(цемент)
Цемент
3CaO*SiO2
C3S
2CaO*SiO2
C2S
3CaO*Al2O3
C3A
4CaO*Al2O3*Fe2O3 C4AF
портландцемент C3S - 37-72%, C2S – 6-47%, C3A – 2-20%, C4AF – 2-19%
получение: обжиг CaCO3, SiO2, глины, Fe2O3
схватывание: 1) образование геля Ca-Si-OH («C-S-H») минуты-часы
регулировка времени схватывания – 3-5% CaSO4
и твердение 2) кристаллизация Ca(OH)2 дни
3) кристаллизация CaCO3 десятки лет
глиноземистый цемент CA, C12A7, CA2, C2A, C3A
быстрое твердение, но потеря прочности >20 лет
CAH10 => C3AH6 + Al(OH)3
Низкие пределы прочности бетона на растяжение и сдвиг
армирование
железобетон
армирование цементного камня металлическими, органическими
или минералиными волокнами (дисперсное армирование)
базальт 47-48% SiO2, 15-16% Al2O3, 10-11% FeO+Fe2O3, 11-12% CaO,
6-7% MgO, 2-4% K2O, 5-6% Na2O
Альтернативные вяжущие
CaSO4*1/2H2O, Ca(OH)2, Mg(OH)Cl
Стекло
Правила Захариасена
1. Атом О связан с не более 2 атомами
2. КЧ других (не О) атомов невелики
3. Кислородные полиэдры соединяются вершинами
4. Полиэдры объединены в 3-мерную сетку
SiO2, B2O3
Понижение температуры размягчения:
Оконное стекло Na2O*CaO*6SiO2
«викор», «пирекс» - использование расслоения в жидкой фазе