1.2. Керамика, керметы, графит и асбест. Часть 1

Керамика (от греч. keramos - глина) - неметаллические материалы и изделия, получаемые спеканием глин и порошков оксидов металлов. В зависимости от химического состава различают оксидную, карбидную, нитридную и другую керамики.

В лабораториях обычного типа чаще всего применяют изделия из оксидной алюмосиликатной керамики на основе смеси SiO2 и Al2O3 (фарфор, шамот, динас, диабаз) и керамику на основе Аl2O3 (корунд), ZrO2, MgO и ВеО.

Фарфор - белый керамический материал, просвечивающий в тонком слое и обладающий характерным звучанием при ударе. Отличается водо- и газонепроницаемостью, механической прочностью. Термостойкость неглазурованного фарфора составляет 1400-1500 °С. Глазурованный фарфор менее термостоек. Вследствие легкоплавкости глазури его можно применять лишь до 1200 °С. При продолжительном нагревании такого фарфора уже при температуре около 1000 °С глазурь расстекловывается и отслаивается.

Фарфор химически устойчив к действию большинства кислот и кислых расплавов, кроме HF и Н3РО4. Хлороводород разъедает фарфор при 800 °С, а выше 1000 °С фарфор разрушается от воздействия хлора. При одновременном присутствии в этих газах углеродсодержащих веществ действие НО и С12 проявляется при более низких температурах. Фарфор постепенно разрушается также и при контакте с расплавами гидроксидов щелочных металлов, кальция и бария или их концентрированными водными растворами.

В состав фарфора входят: SiO2 (75%), А12Оэ (19-21%), К20 (3-4%). Зегеровский фарфор состоит из 45% SiO2, 30% полевого шпата и 25% глины.

Зегер Герман Август (1839-1893) - немецкий химик-технолог, научный руководитель фарфоровой фабрики в Берлине.

Фарфор применяют для изготовления тиглей, лодочек, чашек, ступок, шпателей, стаканов и других изделий. Тонкостенные фарфоровые тигли можно вносить прямо в пламя газовой горелки, а затем охлаждать до комнатной температуры. Толстостенные стаканы и чашки следует нагревать с осторожностью, их нельзя греть на открытом пламени, а следует применять сетки с асбестовой накладкой (см. раздел 1.10).

Шамот - керамический материал серовато-коричневого цвета, термостойкий до 1300-1400 °С. Если к шамоту добавить кварцевый песок, получается кварцевый шамот, выдерживающий температуру до 1500 °С. Шамот менее химически устойчив, чем фарфор, и более газопроницаемый.

Шамот содержит 50-54% SiO2 и 42-45% Аl2O3. Из шамота готовят муфели электропечей, тигли и кирпичи для газовых печей.

Динас - серовато-коричневый керамический материал, размягчающийся при 1350 °С и плавящийся выше 1650 °С. Изделия из динаса ниже 600 °С не переносят резких колебаний темпера-

тур. Динас менее газопроницаем, чем шамот. Кислоты, кроме HF, на динас не действуют. Динас состоит на 95% из SiC>2 и содержит еще 2-4% СаО. Главное достоинство изделий из динаса - сохранение формы без какой-либо усадки до самого момента плавления.

Диабаз - материал серо-черного цвета с синеватым отливом, отличающийся твердостью и химической устойчивостью. Тем-| пература начала размягчения диабаза равна 1000 °С, а твердость по шкале Мооса - 7,8. Изделия из диабаза устойчивы к действию почти всех агрессивных сред, кроме HF и расплавов гидроксидов щелочных металлов.

Получают диабаз расплавлением диабазовой или базальтовой' горной породы при температуре 1400-1500 °С.

Из диабаза готовят чаши, тигли, лодочки и трубки путем отливки его расплава в металлические формы.

Корунд (алуид) - прозрачный твердый огнеупорный материал с температурой плавления 2044 °С. Температура начала деформации изделий из корунда под нагрузкой 0,2 МПа составляет около 1900 °С. Твердость по шкале Мооса равна 9. Корунд отличается исключительно высокой химической стойкостью. Посуда из корунда до 1700 °С не поддается воздействию всех газов, кроме фтора, который начинает разрушать корунд выше 500 °С. Изделия из корунда неприменимы только для работ с фторсо-держащими расплавами, расплавами гидроксидов, карбонатов, нитратов и гидросульфатов щелочных металлов, с которыми он начинает взаимодействовать при 1000 °С. При более высокой температуре корунд реагирует с SiO2 с образованием алюмосиликатов.

Состоит корунд из AI2O3 с примесью до 5% SiO2. Корунд без примеси SiO2 носит название микролита, а прозрачные изделия из него - полтора.

Керамика из диоксида циркония - белая или серая сплавленная масса, обладающая очень высокой прочностью, сохраняющейся до 1300-1500 °С. Температура начала деформации изделий из этой керамики под нагрузкой составляет 2300-2400 °С. Теплопроводность ее значительно ниже, чем теплопроводность всех других керамических материалов из оксидов металлов, что позволяет использовать такую керамику в качестве высокотемпературной теплоизоляции. Резкие колебания температур керамика не выдерживает. Она обладает высокой химической стойкостью в средах, содержащих вещества кислого и основного характера. В частности, керамика не разрушается под действием концентрированной фтороводородной, хлороводородной, азотной и фосфорной кислот до температуры 120 °С.

Тигли из ZrC2 выдерживают воздействие расплавов К, Na, Sb, Bi и Pb до температур 700 °С; Mg и А1 - до температур 1000 °С, a Si, Fe, Ni, Со, Pt, Ti и Pd - до температур 1600 °С.

Керамика, кроме ZrO2, содержит стабилизирующие добавки СаО или Y2O3, предотвращающие фазовое превращение ZrO2 при 1000-1200 °С, которое сопровождается сначала сжатием изделия, а затем его расширением при охлаждении.

Периклазовая керамика - серая тугоплавкая твердая масса с температурой плавления, достигающей 2800 °С. Однако из-за способности керамики взаимодействовать с водяным паром и повышенной летучести в вакууме, из-за высокого значения коэффициента линейного расширения и сравнительно небольшой теплопроводности практическое применение периклазовой керамики ограничено в атмосферных условиях областью температур 2000-2200 °С, а в восстановительной среде и в вакууме температурой не выше 1700 °С.

Периклазовая керамика состоит из кристаллического оксида магния. Она хорошо выдерживает действие органических кислот и кислотообразующих газов, в частности SO2, NO2 и H2S, почти не взаимодействует с щелочными средами и водой, не подвергается разрушению неорганическими кислотами.

В тиглях и лодочках из периклазовой керамики можно без внесения загрязнений плавить металлы, не восстанавливающие MgO, например Sn, Си, Zn, Y, Er, Gd и др. Такой керамикой футеруют высокотемпературные печи, работающие при температурах до 2000 °С на воздухе и даже в парах щелочных металлов.

Периклазовую керамику можно приготовить самостоятельно. Для этого смешивают MgO с водой и подходящим органическим связующим (декстрин, растительное масло, крахмал, полививиниловый спирт и др.). Полученную массу формуют под давлением 0,4 МПа, сушат и обжигают при 1500-1700 °С в тигельных или муфельных печах. Массе, замешанной только на воде, дают выстояться в течение 5-7 дней во влажной атмосфере до полного образования Mg(OH)2 и только после этого сушат и обжигают.

Аналогичным образом получают керамику из А12Оз и ZrO2.

Сверхогнеупорная керамика имеет температуру плавления не ниже 3000 °С. Ее ассортимент весьма ограничен. К ней относят (в скобках указана температура плавления в °С): смесь HfCx с ТаСх в соотношении 1:4 по массе (4215), HfCx (3900), ТаСх (3800), HfNx (3600), ZrCx (3530), NbCx (3500), HfB2 (3250), TaNx (3240), ThO2 (3200), TiCx (3140), TaB2 (3100), ZrB2 (3040), боразон BN (3000). Из этого перечня только пять материалов (ZrCx,TiCx, BN, ТаСх и HfCx + ТаСх) считают перспективными для более или менее широкого применения в лабораторной практике.

Все сверхогнеупоры нельзя длительное время применять в окислительной среде.

Керметы - высокопрочная и тугоплавкая керамика, содержащая включения различных металлов (W, Mo, Ni, А1, Си, Со, Та, Ti и др.). К керметам относят также твердые сплавы на основе Со и Ni, карбидов W, Ti, Та и Мо. В зависимости от состава термическая устойчивость керметов колеблется от 1400 до 2000 °С, а твердость по шкале Мооса от 7 до 9 единиц. Керметам свойственна и высокая химическая инертность, определяющаяся природой керамики и легирующего металла.

Графит - вещество черного цвета с металлическим блеском, аллотропная модификация углерода, наиболее устойчивая в обычных условиях. Графит характеризуется высокой пористостью и химически инертен. При 400 °С он начинает окисляться кислородом воздуха и взаимодействовать с оксидами азота, а с галогенами образовывать соединения включения.

В химической практике используют изделия из стеклоуглеро-да и пирографита.

Стеклографит - очень твердое вещество черного цвета с металлическим блеском, термически устойчивое до температуры 3000 °С. Этот вид графита практически не реагирует с фтороводородной, азотной и серной кислотами и их смесями, с бромом и фтором, с расплавами многих металлов, фторидов, сульфидов и теллуридов. Даже при температуре 1500 °С стеклоуглерод стоек в парах мышьяка и сурьмы. При температуре до 400 °С подвергается окислению в незначительной степени.

Стеклоуглерод обладает малой газопроницаемостью и с трудом поддается механической обработке, выдерживает значительные колебания температур.

Изделия из стеклоуглерода (тигли, лодочки, чашки) используют для работ с особо чистыми веществами. К сожалению, технологические особенности производства стеклоуглерода и его высокая твердость ограничивают размеры изделий, особенно толщину их стенок. Получают стеклоуглерод путем специальной графитизации целлюлозы при 2500-3000 °С.

Пирографит - плотное черное вещество, напоминающее во многом стеклоуглерод. Пирографит не взаимодействует при температуре ниже 1400 °С с оксидами кремния, циркония, бериллия, алюминия и магния. Ниже 300 °С он устойчив к действию расплавов щелочных и щелочноземельных металлов, свинца, висмута, олова и галлия. На него не действуют при температуре ниже 600 °С расплавы алюминия и цинка.

 

Другие части:

1.2. Керамика, керметы, графит и асбест. Часть 1

1.2. Керамика, керметы, графит и асбест. Часть 2

 

 

К оглавлению