Изобретение относится к технологии получения изделий из кварцевой керамики различного назначения с использованием отходов керамического производства. Способ получения изделий из кварцевой керамики включает мокрый помол кварцевого сырья, приготовление шликера, формование изделий в гипсовых формах, сушку и обжиг изделий. В качестве сырья используют очищенный от следов гипса бой необожженных отходов кварцевой керамики, а приготовление шликера осуществляют путем мокрого помола в шаровой мельнице при соотношении «материал: мелющие тела: вода» в пропорции 1:(0,5-0,7):(0,13-0,15), в течение 2-6 часов с последующим гидратированием зерен кварцевого стекла в течение 10-30 часов при перемешивании шликера. Обжиг ведут при температуре 1150-1200°C в течение 2-4 часов. Технический результат изобретения: снижение температуры спекания для получения прочных и термостойких изделий, высокая однородность материала в изделиях, исключение недоливов и расслоения, уменьшение брака по трещинам при производстве крупногабаритных тонкостенных изделий на стадии формования и обжига. 3 пр.

Изобретение относится к технологии получения изделий из кварцевой керамики различного назначения как сливным, так и наливным методами. Известен способ получения изделий из кварцевой керамики (Ю.Е.Пивинский, А.Г.Ромашин. Кварцевая керамика. М.: Металлургия, 1974), включающий мокрый помол боя кварцевого стекла в шаровых мельницах и приготовление шликера, формование изделий методом водного шликерного литья в гипсовых формах, сушку и обжиг изделий. Для получения сложнопрофильных тонкостенных изделий, например оболочек антенных обтекателей, с целью исключения кристаллизации материала при обжиге, стекло травят в водном растворе фтористоводородной кислоты и очищают от загрязнения, а помол стекла и приготовление шликера производят в шаровых мельницах, футерованных кварцевым стеклом, с применением мелющих тел из кварцевого стекла. Недостатком способа является высокая себестоимость продукции, наличие неиспользуемых отходов производства.

Известен способ формования изделий из кварцевой керамики (патент РФ №2153481, Кл. С04В 35/14, Бюл. №21, 2000 г.), согласно которому мокрый помол боя кварцевого стекла осуществляется в шаровых мельницах с добавкой 8-12% по сухому веществу слива от центробежного формования изделий. Высокодисперсный слив улучшает реологические и формовочные свойства литейных шликеров. Кроме того, предложенное техническое решение позволяет использовать отходы производства изделий из кварцевой керамики в виде слива.

Наиболее близким по цели и техническому решению является способ изготовления крупногабаритных изделий из кварцевой керамики, описанный в авторском свидетельстве СССР №1782970, Кл. С04В 35/14, Бюл. №47, 1992 г. Сущность изобретения заключается в следующем. Бой кварцевого стекла и бой необожженной кварцевой керамики загружали в шаровую мельницу, добавляли воду в количестве 13-14% и производили мокрый помол до остатка на сите №0063 от 17,28 до 25,5% вес. Соотношение «материал: мелющие тела: вода» находилось в пределах 1:1,25:0,13-0,14. Готовую суспензию заливали в гипсовую форму для набора керамической заготовки. Изделия представляли собой горелочные блоки размером 250×250×400 мм и валы стеклоформующих машин диаметром 85 мм, длиной 2700 мм. Затем изделия сушили и обжигали в электрических печах. Соотношение стекла и необожженных отходов кварцевой керамики составляло 1:1÷0,4.

Недостатком прототипа является непригодность получаемого шликера для формования тонкостенных сложнопрофильных изделий с высокой плотностью и прочностью керамического материала. Кроме того, большое содержание крупной фракции в литейном шликере даже при плотности суспензии 1,89-1,91 г/см 3 вызывает расслоение суспензии по высоте формуемых изделий и значительную разноплотность заготовок, что приводит к изменению физико-технических свойств материала в различных зонах изделий, ухудшает их эксплуатационные характеристики. Существенно отличающаяся прочность и твердость кусков кварцевого стекла и необожженных отходов кварцевой керамики не позволяют подобрать режим помола для получения шликера с предсказуемым зерновым составом, приемлемым для получения качественных отливок.

Целью изобретения является повышение технологичности производства изделий из кварцевой керамики за счет снижения температуры обжига, повышения качества сложнопрофильных тонкостенных изделий и использование отходов керамического производства.

Поставленная цель достигается тем, что способ получения изделий из кварцевой керамики, включающий мокрый помол кварцевого сырья и приготовление шликера, формование изделий в гипсовых формах, сушку и обжиг изделий, отличается тем, что в качестве сырья используют очищенный от следов гипса бой необожженных отходов кварцевой керамики, приготовление шликера осуществляют путем мокрого помола в шаровой мельнице при соотношении «материал: мелющие тела: вода» в пропорции 1:(0,5-0,7):(0,13-0,15) в течение 2-6 часов с последующим гидратированием зерен кварцевого стекла в течение 10-30 часов при перемешивании шликера, а обжиг ведут при температуре 1150-1200°C в течение 2-4 часов.

Авторами экспериментально установлено, что после снятия наждачной шкуркой и пылесосом контактирующего с гипсом поверхностного слоя керамической отливки необожженные отходы кварцевой керамики при повторном использовании не кристаллизируются в процессе обжига материала до температуры 1200°C с выдержкой до 4 часов, а кварцевая керамика, полученная из таких отходов с дополнительным гидратированием высокодисперсных частиц кварцевого стекла в процессе перемешивания шликера, спекается более интенсивно, чем керамика из первичного шликера. Материал со свойствами, близкими к свойствам кварцевой керамики НИАСИТ ТУ 1.596.195.84, можно получить при температуре обжига 1150-1200°C. Улучшаются и формовочные свойства шликера, повышается однородность отливки, снижается брак по трещинам.

Подобраны условия и режимы помола необожженных отходов кварцевой керамики для формования тонкостенных сложнопрофильных изделий. В отличие от прототипа предложена схема переработки отходов с применением уменьшенного количества мелющих тел при полной загрузке мельницы отходами производства. Соотношение «сырье: мелющие тела» приняты в пропорции 1:(0,5-0,7), по прототипу 1:1,25. Оптимизировано время помола, оно составляет 2-6 часов в зависимости от плотности исходного сырья по зерновому составу формовочного шликера. Дистиллированную воду в количестве 13-17% от веса сухих отходов вводили при загрузке мельницы, но допускается вводить порциями (два-три раза), тогда время помола несколько сокращается. После помола суспензию отделяли от мелющих тел и выдерживали во вращающемся состоянии в течение 10-30 часов для улучшения литейных свойств, затем шликер процеживали через сито 0,5 мм и использовали для литья изделий.

Примеры выполнения способа

Пример 1. В шаровую мельницу ТСА 115 емкостью 200 л загружали 64 кг необожженного и зашкуренного со стороны гипсовой формы боя бракованных изделий из кварцевой керамики, 32 кг мелющих тел из кварцевого стекла, 8,3 литров дистиллированной воды и производили помол в течение 2 часов. После отделения мелющих тел шликер дополнительно гидратировали в пропеллерной мешалке в течение 10-30 часов.

Параметры шликера: плотность - 1,87 г/см 3 ;

вязкость - 30" по ВЗ-1;

зерновой состав: - частиц до 5 мкм - 24%;

Частиц 63-500 мкм - 12%;

Сливным методом водного шликерного литья в гипсовых формах отливали тигли для расплава драгоценных металлов и сплавов высотой до 300 мм. После сушки изделия обжигали в электрических печах при максимальной температуре 1150°C длительностью 2-3 часа. Плотность материала в изделиях 1,96 г/см 3 , прочность при изгибе 35-50 МПа. Разноплотность по высоте изделий не превышала ±0,01 г/см 3 .

Пример 2. Аналогично примеру 1 получали шликер из необожженных отходов производства изделий из кварцевой керамики путем мокрого помола в шаровой мельнице ТСА 115 при загрузке боя отходов, мелющих тел и дистиллированной воды в пропорции 75:45:11,2 кг. Время помола 4 часа. После отделения шаров шликер дополнительно гидратировали путем прокручивания в той же мельнице в течение 24 часов.

Параметры шликера после процеживания через сито 0,5 мм:

плотность - 1,88 г/см 3 ;

вязкость - 23" по ВЗ-1;

зерновой состав: - частиц до 5 мкм - 21%;

Частиц 63-500 мкм - 6,6%;

Частиц 5-63 мкм - остальное.

Сливным методом водного шликерного литья в гипсовых формах отливали кожуха черт. ОТИ 1196.002 для контроля уровня металла при плавке стали с толщиной стенок 10-20 мм. После сушки изделия обжигали при температуре 1200°C в течение четырех часов. Средняя прочность при изгибе материала в изделиях отвечала требованиям материала НИАСИТ ТУ 1.596.195.84 и составляла 50±10 МПа.

Пример 3. Аналогично примерам 1, 2 приготовлен шликер из необожженных отходов кварцевой керамики путем мокрого помола в шаровой мельнице ТСА 115 при загрузке 70:49:10,5 кг. После помола в течение 6 часов, последующей выдержки в мельнице без шаров в течение 30 часов процеженный через сито 0,5 мм шликер имел следующие параметры:

плотность - 1,89 г/см 3 ;

вязкость - 30" по ВЗ-1;

зерновой состав: - частиц до 5 мкм - 20%;

Частиц 63-500 мкм - 10%;

Частиц 5-63 мкм - остальное.

Из полученного шликера отливали наливным методом в гипсовых формах изделия конической формы с диаметром основания 360 мм, высотой 700 мм, толщиной стенки 10-15 мм.

Высушенные изделия обжигали в электрической печи при максимальной температуре 1200°C в течение 2 часов.

На образцах из технологического припуска изделий контролировали свойства керамики. Значения свойств соответствуют требованиям на материал НИАСИТ ТУ 1.596.195.84:

плотность - 1,96-1,99 г/см 3 ;

прочность при изгибе - 35-65 МПа;

ТКЛР 20-900°C - (4,7)×10 -7 /K;

диэлектрическая проницаемость

на частоте 10 10 Гц - 3,40±0,02;

тангенс угловых потерь

на частоте 10 10 Гц - (2-15)×10 -4 .

Полученные изделия по свойствам не отличаются от изделий, изготавливаемых по обычной технологии с использованием в качестве исходного сырья прозрачного кварцевого стекла, - кварцевой стеклотрубки ТУ 11-87 ЩЛО.027.252.

Усадка при обжиге изделий во всех примерах выполнения способа находилась в пределах 0,5-1,2%.

Предложенный способ обеспечивает получение качественного керамического материала на основе кварцевого стекла и изделий из него различного назначения, используя отходы керамического производства. Для формования изделия допускается комбинирование формовочных масс путем смешения водного шликера из отходов производства и первичного шликера или введения в него порошкообразного, а также зернистого наполнителя кварцевого стекла или кварцевой керамики.

Достоинствами настоящего технического решения кроме использования отходов производства также являются:

Повышение технологичности за счет снижения температуры обжига при получении прочного и высокотермостойкого материала и изделий;

Повышение качества изделий (однородность материала, исключение недоливов, расслоения в изделиях и др.);

За счет снижения усадки при обжиге и коробления изделия создается возможность уменьшения технологических пропусков на мехобработку и получение размеростабильных изделий.

Кроме того, способ позволяет снизить брак по трещинам при производстве крупногабаритных изделий методом водного шликерного литья.

Источники информации

1. Ю.Е.Пивинский, А.Г.Ромашин. Кварцевая керамика. М.: Металлургия, 1974.

2. Патент РФ №2153481, Кл. С04В 35/14, Бюл. №21, 2000 г.

3. А.с. СССР №1782970, Кл. С04В 35/14, Бюл. №47, 1992 г.

Способ получения изделий из кварцевой керамики, включающий мокрый помол кварцевого сырья и приготовление шликера, формование изделий в гипсовых формах, сушку и обжиг изделий, отличающийся тем, что в качестве сырья используют очищенный от следов гипса бой необожженных отходов кварцевой керамики, приготовление шликера осуществляют путем мокрого помола в шаровой мельнице при соотношении материал: мелющие тела: вода в пропорции 1:(0,5-0,7):(0,13-0,15) в течение 2-6 ч с последующим гидротированием зерен кварцевого стекла в течение 10-30 ч при перемешивании шликера, а обжиг ведут при температуре 1150-1200°C в течение 2-4 ч.

Похожие патенты:

Изобретение относится к волокнам из поликристаллического корунда, по существу состоящим из корунда и оксида элементов главных подгрупп I или II группы Периодической таблицы, которые могут быть использованы для изготовления тканей и композитных материалов.

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к технологии изготовления проппантов средней плотности, предназначенных для использования в качестве расклинивающих агентов при добыче нефти или газа методом гидравлического разрыва пласта - ГРП.

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к технологии изготовления керамических проппантов, предназначенных для использования в качестве расклинивающих агентов при добыче нефти или газа методом гидравлического разрыва пласта.

Изобретение относится к технологии изготовления проппантов, предназначенных для использования в качестве расклинивающих агентов при добыче нефти или газа методом гидравлического разрыва пласта.

Компания «Керамомикс» поставляет керамические трубки, чехлы и соломку из различных керамических материалов, различного назначения и рассчитанные на разную температуру.

Для того, чтобы заказать керамические трубки, чехлы и соломку и уточнить цены, свяжитесь с нашими менеджерами. Телефоны Вы найдете в разделе Контакты.

По возрастанию температуры применения керамические трубки делятся:

Кварцевые трубки

Кварцевые трубки являются наиболее массовой продукцией из кварцевого стекла. Трубки и стержни получают методом горячего формования из газонаплавленного или электровакуумного кварцевого стекла.

Материал трубок отличается химической чистотой, жаропрочностью, устойчивостью к кристаллизации, имеет низкий коэффициент термического расширения (по сравнению с другими керамическими материалами). Кварцевое стекло устойчиво ко всем кислотам за исключением плавиковой и фосфорной. Электрическое сопротивление кварца значительно выше, чем лучших силикатных стекол, что позволяет делать из данного материала прекрасно работающие электроизоляторы.

Кварцевые трубки выдерживают резкий перепад температур - до 1000-1200°С и могут использоваться в кислых и нейтральных средах при температуре до 1250°, устойчивы к кристаллизации (при нагреве до 1200°С, в течении 2 часов) и при нагреве до 1000°С, с последующим охлаждением в проточной воде (15 теплосмен).

Кварцевые трубки применяются для сооружения трубопроводов в химической и пищевой промышленности, используют для транспортирования агрессивных жидкостей и газов.

Кварцевые трубки используются: для указания уровня жидкостей, как комплектующие в промышленном и котельном (как водомерные трубки котлов, водоуказательная трубка показывающая уровень жидкости) оборудовании, в металлургии и литье (пробы металла, кварцевые чехлы, термопары), в электронагревателях, химической (чехлы, колбы, воронки, лабораторная посуда, кварцевая труба) промышленности, в полупроводниковой и светотехнической промышленности (бактерицидные лампы, кварцевые лампы для солярия, ультрафиолетовые лампы), в печестроении уникальные характеристики кварцевого стекла нашли применение в глазках наблюдения, в защитных внешних кожухах на нагревательных элементах , в печах молирования и фьюзинга .

На основе кварцевых трубок строят уникальные трубчатые печи с вращением и наклоном трубы и газовым подводом и уникальные водородные трубчатые печи.

Контакты.

Муллитокремнеземистые трубки (МКР)

Трубки муллитокремнеземистые (МКР) , трубки муллитокремнеземистые с добавкой двуокиси циркония (МКРЦ) применяются для защиты термопар, термоэлектродов, в качестве поддержки спиральных нагревательных элементов в печах сопротивления с нагревательными элементами из фехрали, трубчатых печах в качестве муфеля, в качестве каналов потоков газа (для подвода и отвода газа).

Муллитокремнеземистые изделия трубки и чехлы МКР и муллитокремнеземистые с добавкой двуокиси циркония (МКРЦ) с температурой эксплуатации до 1350°С выпускаются с одним каналом диаметром от 1,5 до 103 мм, длиной от 20 до 2000 мм в зависимости от диаметра. Трубки могут быть изготовлены с одним закрытым концом.

Соломка МКР выпускается с 2 и 4 каналами, наружным диаметром от 3 до 9 мм, длиной до 800 мм.

Свойства материала МКР, изготавливаемые по ТУ 14-8-447-83 приведены в таблице.

Корундовые трубки, чехлы и соломка

Корундовые трубки предназначены для эксплуатации в высокотемпературных электрических печах сопротивления для поддержки и крепежа нагревательных элементов и в трубчатых печах в качестве трубы - муфеля. Чехлы из корунда используются в высокотемпературных печах в качестве защиты платиновых термопар. Соломка из корунда используется в качестве изолятора в платиновых и вольфрамовых термопарах.

Для того, чтобы уточнить цены и сделать заказ, необходимо связаться с нашими менеджерами. Их телефоны Вы найдете в разделе

Керамика на основе ВеО (брокерит, броммелитовая керамика).

Техническая керамика.

Керамика – это материал, получаемый спеканием порошков заданного состава при температурах, существенно ниже их температуры плавления. Структура керамики близка к структуре ситаллов. И керамика и ситаллы состоят из кристаллических и аморфных фаз, но в керамике ещё имеются газовые фазы. Их присутствие в керамике обусловлено технологией. Технологический процесс производства керамических изделий включает много операций. Ключевыми операциями являются подготовка исходных компонентов, заключающаяся в измельчении сырья до заданного уровня, смешении компонентов, формовании изделия и обжиг. Формование керамического изделия часто проводится путём прессования. Чем выше давление прессования и чем мельче порошки, тем меньше пор в керамике, тем меньше содержание газовой фазы.

На пористость керамики также большое влияние оказывает режим спекания. Вообще, спекание – это очень сложный физико-химический процесс. Внешним признаком спекания является уменьшение размеров изделия и, соответственно, увеличение кажущейся плотности. Спекание порошка начинается обычно со «сваривания» зёрен в местах контакта. Сущность спекания заключается в самопроизвольном заполнении веществом свободного пространства внутри зёрен и между ними. При этом происходит уменьшение дефектности кристаллических решёток, снятия имеющихся напряжений в контактных участках материала. Движущей силой процесса спекания является стремление системы к уменьшению поверхностной энергии, в данном случае это выражается в уменьшении поверхности. Поэтому мелкозернистые порошки спекаются быстрее, чем крупнозернистые.

Одновременно с процессом спекания протекает рекристаллизация. Она заключается в образовании одних зёрен тела за счёт других. Состав кристаллических фаз при этом часто существенно изменяется. Если состав кристаллических фаз не изменяется, то рекристаллизация сводится к полиморфным превращениям, то есть, к образованию различных кристаллических модификацией одного и того же вещества. Если состав кристаллических фаз в процессе рекристаллизации изменяется, то это обусловлено либо диффузией компонентов и образованием твёрдых растворов, либо образованием новых веществ в результате химических реакций в смесях твёрдых веществ.

Механизм реакций в смесях твёрдых веществ очень сложен. Из курса химии известно, что твёрдые вещества химически не взаимодействуют друг с другом. Их химическое взаимодействие возможно только за счёт массопередачи путём внутренней диффузии, а коэффициент диффузии твёрдого в твёрдом очень мал – 10 -8 – 10 -16 м 2 /с. Таким образом, скорость чисто твёрдофазных реакций пренебрежимо мала. Практический опыт противоречит этим общим представлениям. Это связано с тем, что в действительности химические превращения при спекании керамических масс протекают при участии газовых и жидких фаз. Газовые фазы образуются, например, за счёт возгонки или диссоциации твёрдых веществ. Жидкие фазы образуются за счёт плавления одного из исходных компонентов или их эвтектических смесей.

В качестве примера такого процесса можно назвать взаимодействие оксидов цинка и алюминия с образованием шпинели

ZnO (тв) + Аl 2 O 3(тв) = ZnAl 2 O 4(тв)

ZnO (тв) ® ZnO (газ)

ZnO (газ) + Al 2 O 3(тв) ® ZnAl 2 O 4(тв) (ZnO . Al 2 O 3)

В состав смеси обычно добавляют небольшие количества так называемых «минерализаторов» или «плавней», имеющих относительно низкие температуры плавления. Они химически инертны по отношению к реакционной смеси, однако существенно изменяют условия реакции и свойства получаемого продукта. Механизм действия минерализаторов заключается либо в создании центров кристаллизации, либо в изменении скорости кристаллизации (в частности, путём изменения вязкости системы и отвода тепла от неё), либо в изменении кристаллической решётки и, соответственно, свойств кристаллических тел. Реакции в кристаллических смесях широко используются при изготовлении керамических изделий со специфическими свойствами.

Областей применения керамики не меньше, если не больше, чем областей применения полимеров. Керамика – первый искусственный материал, созданный человеком. Уже в каменном веке человек использовал предтечу керамики – глиняную посуду, пока не обожжённую. Первые обожжённые изделия появились в каменном веке – это была посуда, строительные материалы, декоративные и бытовые изделия из фаянса. Расцвет керамики относится к ХХ веку – этот период порой называют веком пластмасс и керамики.

Кроме традиционных направлений керамика используется в транспорте, машиностроении, приборостроении, электротехнике, электронике, энергетике, химической технологии, медицине, обрабатывающих орудиях, текстильной промышленности. Трудно найти область техники, где бы сейчас не использовалась керамика.

Термин «техническая керамика» отделяет керамику технического назначения от художественной керамики. Развитие технологии технической керамики вызвало появление керамики специального назначения, так называемой «тонкой технической керамики».

В основу классификации керамики положен признак наличия в ней определённого химического вещества, кристаллическая фаза которого преобладает в этом виде керамики. Область применения керамики является дополнительным признаком, так как одна и та же по своему составу керамика может использоваться в различных областях техники. В самом общем виде техническую керамику можно подразделить на следующие классы: 1) керамика из огнеупорных оксидов; 2) на основе силикатов и алюмосиликатов; 3) на основе двуокиси титана, титанатов, цирконатов и соединений с подобными свойствами; 4) на основе шпинелей; 5) на основе хромитов редкоземельных элементов; 6) на основе тугоплавких бескислородных соединений; 7) композиционные материалы.

6.1. Традиционная электротехническая керамика.

Электротехническую керамику подразделяют на 4 важнейших категории – магнитную, диэлектрическую, полупроводниковую и проводниковую, в том числе сверхпроводниковую. Все они характеризуются ионным строением кристаллических решёток. Рассмотрим вначале разновидность диэлектрической керамики – фарфоры. Основными компонентами фарфора являются пластичные глины и каолины, представляющие собой водные алюмосиликаты. Химическая формула каолина Аl 2 O 3 . 2SiO 2 . H 2 O. В состав фарфоров входят также кварцевые материалы (SiO 2), полевые шпаты (микроклин К 2 О. Аl 2 O 3 . 6SiO 2), глинозём (Al 2 O 3), кальцит (СаСО 3) и др.

Обожжённый фарфор состоит из кристаллов муллита 3Аl 2 O 3 . 2SiO 2 и кварца SiO 2 , промежутки между которыми заполнены стеклообразным материалом, образовавшимся в основном в результате расплавления полевого шпата.

Электротехнический фарфор содержит примерно 70% SiO 2 и 25% Al 2 O 3 . Остальное приходится на К 2 О, Na 2 O, Fe 2 O 3 и др.

Более высокими диэлектрическими свойствами обладает радиофарфор, стекловидная фаза которого облагорожена введением в неё тяжёлого оксида ВаО.

Дальнейшим усовершенствованием радиофарфора является ультрафарфор. Он содержит увеличенное количество глинозёма Аl 2 O 3 и ВаО. Ультрафарфор используется как высокочастотный диэлектрик вплоть до СВЧ.

Близкой по составу и свойствам к фарфору является стеатитовая керамика. Она в основном состоит из силикатов Мg и изготавливается на основе тальковых минералов 3МgO . 4SiO 2 . Н 2 О. Рецептура стеатитовой керамики и условия процесса спекания выбирают так, чтобы исключить полиморфные превращения силиката магния. Кроме силиката магния в рецептуру входят минерализаторы ZrO 2 , ZnO, ВаСО 3 и МgСО 3 , связывающие кремнезём SiO 2 , выделяющийся в процессе разложения талька при его нагревании. Свойства фарфоров представлены в таблице 7.

Таблица 7

Отличительной особенностью рассмотренных выше керамических материалов является очень быстрое ухудшение диэлектрических свойств с ростом температуры: возрастание tgd, падение r.

Все эти материалы имеют положительный коэффициент теплопроводности, лежащий в пределах (3 – 9) . 10 -6 К -1 .

Относительно высокий ТКЛР и низкий коэффициент теплопроводности 1,2 – 3,5 Вт/м. К обусловливают невысокую стойкость к термоударам. В этом отношении большой интерес представляют керамики на основе чистых оксидов, а также шпинели (двойные оксиды МgO . Al 2 O 3).

6.2. Оксидная керамика

Температура плавления чистого ВеО = 2570 ± 20 о С, энтальпия образования DН = - 616 ± 2,5 кДж/моль. Удельная теплоёмкость возрастает с увеличением температуры от 1,25кДж/кг. К при 100 о С до 2,08 при 900 о С. Твёрдость по Моосу кристаллов ВеО составляет 9, микротвёрдость – 15,2 ГН/м 2 . Самым удивительным теплофизическим свойством бериллиевой керамики является необычайно высокая теплопроводность = 219 Вт/м. К – во много раз выше теплопроводности остальных видов керамики, превосходящей теплопроводность большинства металлов и уступающей только серебру, меди и алюминию. Это свойство в сочетании с хорошими электрофизическими свойствами (e = 7, tge = 3 . 10 -4 , r = 10 13 Ом. м), высоким коэффициентом замедления и отражения тепловых нейтронов, малым поперечным сечением захвата и большим сечением рассеяния определило области применения этой керамики. Это ядерная энергетика (конструкционный материал, матричный материал для ядерного горючего), металлургия редких металлов (тигли для плавления Ве, Th, Pt, Ti, U и др.), электронная техника (мощные приборы СВЧ, теплоотводы различных радиоэлектронных устройств). Разработана технология прозрачной керамики из ВеО, высокоплотной и, наоборот, с повышенной пористостью (до 82 %).

При работе с ВеО необходимо учитывать её высокую токсичность. Бериллиевые соединения поражают кожу, дыхательные пути, вызывая пневмонию, раздражают желудочно-кишечный тракт и нервную систему. Предельно-допустимая концентрация Ве в воздухе рабочих помещений в виде тех или иных соединений не должна превышать 0,001 мг/м 3 .

6.2.2. Керамика на основе МgО (периклазовая керамика).

МgО – существует только в одной модификации и кристаллизуется в кубической системе. Т пл = 2800 о С, плотность = 3580 кг/м 3 , твёрдость – 6 по Моосу, энтальпия образования = - 613 кДж/моль, средняя удельная теплоёмкость изменяется от 0,975 при 100 о С до 1,22 кДж/г. К при 1500 о С.

МgО получают разложением химически чистых соединений Мg(ОН) 2 , МgСО 3 и др. МgО – более основной оксид, чем ВеО, способен взаимодействовать с водой, поэтому для приготовления шихты в качестве связок используют безводные растворы органических соединений – парафин, воск, олеиновую или стеариновую кислоты.

Спекание МgО производят в инертной или окислительной атмосфере при 1700 – 1800 о С. Добавки ZrO 2 , MnO 2 , Cr 2 O 3 , CaF 2 , B 2 O 3 , TiO 2 cнижают температуру спекания.

Теплопроводность периклазовой керамики умеренная – 28 Вт/м. К, но значительно более высокая, чем у фарфоров, поэтому и стойкость к термоударам более высокая. ТКЛР с ростом температуры повышается в диапазоне от 11,7 . 10 -6 до 14,2 . 10 -6 . Механические свойства периклазовой керамики достаточно высокие – предел прочности при сжатии s сж = 1200 – 1500 МПа, s изг в зависимости от технологии изменяется от 130 – 140 до 250 МПа, модуль упругости Е = 2,9 . 10 5 МПа.

Периклазовая керамика – хороший диэлектрик, e = 8 – 9, r v в зависимости от чистоты исходного продукта лежит в интервале от 10 15 до

Периклазовая керамика используется как огнеупорная, в тиглях из которой можно с высокой степенью чистоты плавить металлы, которые не восстанавливают МgО, например, Fe, Zn, Al, Sn, Cu, а также тяжёлые редкоземельные металлы. Может использоваться для футеровки высокотемпературных печей и аппаратов, работающих до 2000 о С, для изготовления пирометрических изделий (капилярные трубки, бусы), высокотемпературных изоляторов.

Прозрачная магниевая керамика используется для окон в высокотемпературных печах, устройствах инфракрасного контроля, натриевых лампах, химических реакторах. Однако способность к гидратации, выражающаяся в потемнении полированных поверхностей, летучесть при высокой температуре и сравнительно невысокая механическая прочность несколько ограничивают её использование.

6.2.3. Керамика из оксида алюминия – корундовая керамика.

Оксид алюминия Аl 2 O 3 может существовать в трёх основных кристаллических модификациях - a, b и g, причём a- и g- формы представляют собой чистые оксиды, а b-форма представляет собой условное обозначение группы алюминатов с высоким содержанием Аl 2 O 3 . Кроме них, зафиксированы ещё несколько кристаллических модификаций, большинство из которых при 1200 о С переходят в a-форму (корунд). Основным структурным мотивом в корунде служит алюмокислородный октаэдр. В природных условиях встречается только a-форма в виде минерала корунда, рубина, сапфира. Твёрдость корунда по шкале Мооса – 9, по шкале Роквелла – 90. Плотность корунда в зависимости от наличия в нём примесей колеблется от 3980 до 4010 кг/м 3 . Температура плавления составляет 2050 о С, энтальпия образования 1,7 МДж/моль.

Именно керамика, содержащая более 95% a-Аl 2 О 3 называется корундовой керамикой. В качестве минерализаторов используют МgO, MnO 2 , TiO 2 , ZrO 2 . Наиболее эффективно работает TiO 2 , который образует твёрдый раствор с a-Аl 2 О 3 и снижает температуру спекания с 1700 – 1750 о С до 1500 –1550 о С, одновременно способствуя интенсивному росту кристаллов корунда.

Добавка МgO, наоборот, задерживает рост кристаллов корунда и обеспечивает высокую плотность, т.к. не происходит образование пор. Мелкокристаллическая структура керамики обеспечивает лучшие механические свойства, такая керамика (микролит, ЦМ 332) используется для изготовления резцов для обработки металлов, деталей для протяжки проволоки, фильеры, нитеводители и другой износостойкий инструмент, а также абразивные материалы – абразивные круги, абразивные шлифовальные шкурки и т.п. Кроме того, такая керамика (поликор) обладает светопроницаемостью в видимой и инфракрасной части спектра, однако, если количество МgO превышает 0,6% (предел образования твёрдого раствора), светопропускание резко падает. Поликор обладает хорошими диэлектрическими свойствами: tgd = 3 . 10 -5 , r = 10 16 Ом. м, e = 10 – 12, Е пр = 15 МВ/м. Коэффициент теплопроводности l - 32 Вт/м. К, ТКЛР 8 – 8,5 . 10 -6 К -1 . Поликор обладает высокой стойкостью к термоударам – он выдерживает до 4 теплосмен (800 о С – 20 о С).

Светопроницаемая (прозрачная) керамика применяется в натриевых лампах, для окон устройств инфракрасного контроля, для изготовления подложек СВЧ – микросхем, корпусов микросхем, изоляторов авто- и авиасвечей зажигания, установочных деталей, высокотемпературных реле, вакуумплотных спаев, антенных обтекателей в авиа- и ракетостроении и др.

Пористая корундовая керамика с пористостью до 90% служит хорошим теплоизолирующим материалом при температурах до 1700 – 1750 о С, применяется в качестве деталей костных имплантантов (биокерамика).

Керамика из b-Аl 2 O 3 (Na 2 O . 11Al 2 O 3), благодаря присутствию в ней оксида натрия используется для изготовления твёрдых электролитов. Электросопротивление такой керамики при комнатной температуре составляет 1 – 5 . 10 2 Ом. см, а при 500 о С – 10 – 25 Ом. см. Такие материалы используют в высокоэффективных химических источниках тока, в частности, в энергоёмких натриево-серных аккумуляторах, перспективных для создания электромобиля.

Другой областью применения керамика из b-Аl 2 O 3 – плавленные огнеупоры (в сочетании с корундом) для футеровки стекловаренных печей.

Кварцевая керамика – условное название изделий, получаемых методами керамической технологии из порошкообразного стекла с содержанием SiO 2 ³ 99,5%. Это - единственный керамический материал, основу которого составляет не кристаллическая, а аморфная, стекловидная фаза. Создание кварцевой керамики – вынужденная мера и вызвана большими технологическими трудностями при формовании изделий из кварцевого стекла в связи с большой вязкостью расплава кремнезёма даже при 2000 о С.

Выпускается как плотная, так и пористая кварцевая керамика с пористостью до 80 – 85%. При обжиге, начиная с 1200 о С, начинается процесс кристаллизации кварцевого стекла. Образуется высокотемпературная a-форма кристобалита. При охлаждении a-форма переходит в низкотемпературную b-форму (180 – 270 о С). Это сопровождается уменьшением объёма на 5,2% и, соответственно, повышением истинной плотности с 2210 до 2330 кг/м 3 .

КЛТР кварцевой керамики (~ 0,5 . 10 -6 К -1) почти на порядок ниже, чем у других видов оксидной керамики. Это определяет её высокую стойкость к термоударам, хотя её теплопроводность и не высока (0,7 – 1,4 Вт/м. К).

Диэлектрические свойства кварцевой керамики достаточно высоки: e = 3 – 3,7; tgd = 6 . 10 -4 .

Кварцевая керамика может длительно эксплуатароваться при температурах до 1200 – 1300 о С. Она используется как теплоизолятор в тепловых агрегатах, труб для подачи расплавленного алюминия, форм для литья металлов, изготовления обтекателей в ракетной и космической технике и др.

6.2.5. Керамика из диоксида циркония ZrO 2

ZrO 2 – устойчивое соединение, проявляет полиморфизм, существует в трёх модификациях – моноклинной, тетрагональной и кубической. Моноклинная устойчива при низких температурах, при нагревании до 1200 о С переходит в тетрагональную форму, устойчивую только при высоких температурах. Этот переход сопровождается усадкой на 7,7 %. При охлаждении ниже 1000 о С происходит обратный переход с соответствующим изменением объёма и плотности. При температуре от 1900 до 2700 о С устойчивой формой является кубическая. Плотность моноклинной формы 5560 кг/м 3 , твёрдость по Моосу = 6,5, температура плавления Т пл = 2700 о С. Циклические изменения температуры приводят к разрушению керамики. Для стабилизации кубической модификации создают твёрдые растворы ZrO 2 c CaO, MgO, Y 2 O 3 и др. Такой материал называется «стабилизированным диоксидом циркония», однако, он плохо сопротивляется тепловым ударам. Оказалось, что хорошую стойкость к термоударам проявляет материал, сохраняющий в кубической модификации небольшое количество тетрагональной модификации ZrO 2. На рис.5.1 представлены кривые изменения ТКЛР различных модификаций.

Свойства изделий из спечённого ZrO 2 связаны со степенью стабилизации, видом и количеством введённого стабилизатора. В целом можно сказать, что керамика обладает большой прочностью при нормальных температурах и сохраняют достаточно высокую прочность до 1300 – 1500 о С. Так, s сж при 20 о С составляет 2100 МПа, а при 1400 о С – 1300 МПа.

Интересна зависимость теплопроводности циркониевой керамики от температуры. Если у большинства керамик с ростом температуры l снижается, то у ZrO 2 - керамики остаётся практически постоянной.

Диэлектрические свойства диоксида циркония невысоки. Уже при 1000 – 1200 о С он фактически представляет собой проводник. Проводимость имеет ионный характер благодаря образованию кислородных вакансий при замещении ионов Zr +4 двухвалентными и трёхвалентными ионами. Наибольшая проводимость достигается при стабилизации диоксида циркония оксидом скандия Sc 2 O 3 .

Циркониевая керамика используется в качестве твёрдых электролитов для работы при высоких температурах, например, в топливных элементах, где температуры достигают 1000 – 1200 о С, в МГД-генераторах, в высокотемпературных нагревателях для разогрева в печах до 2200 о С. В качестве огнеупоров используется при высокотемпературных плавках ряда металлов и сплавов, в частности, Pt, Ti, Rh, Pd, Ru, Zr и др. Благодаря низкой теплопроводности, отличной химической стойкости и большой твёрдости и прочности ZrO 2 - керамика используется в ракетных, реактивных и других двигателях, в атомном реакторостроении.

6.2.6. Керамика из оксида иттрия Y 2 O 3 .

Оксид иттрия до 2300 о С не проявляет полиморфных превращений. Т пл = 2410 – 2415 о С. Плотность кристаллов – 5030 кг/м 3 , удельная теплоёмкость составляет 0,105 кДж/кг. К, энтальпия образования DН = -1910 кДж/моль, потенциал Гиббса DG = -1820 кДж/моль. В окислительной атмосфере (воздух) оксид иттрия стабилен вплоть до Т пл. Стойкость к термоударам спечённой керамики невысока. Это обусловлено малой теплопроводностью (8,5 Вт/м. К) и относительно высоким ТКЛР = 8 – 9 . 10 -6 К -1 . По электрическим свойствам иттриевая керамика относится к хорошим изоляторам: r v при 500 о С составляет 8 . 10 10 Ом. м, e = 14.

Керамика из Y 2 O 3 c плотностью, близкой к теоретической, является наиболее прозрачной с высоким светопропусканием (до 80 %). Она применяется для изготовления ИК-окон летательных аппаратов, в качестве смотровых окон высокотемпературных печей. Другие области применения – электровакуумная техника, атомная энергетика (контейнерный материал), тигли для восстановления урановых соединений, стабилизационный материал для циркониевой керамики, конструкционный материал и др.

Изобретение относится к технологии получения модифицированных керамических материалов на основе кварцевого стекла. Техническим результатом изобретения является повышение прочности и термостойкости изделий. Способ получения кварцевой керамики включает изготовление шликера из боя кварцевого стекла, формирование сырой заготовки методом отлива в гипсовые формы, пропитку сырой заготовки жидким пропитывающим раствором, сушку пропитанной заготовки кварцевой керамики и последующую термообработку. При этом пропитывающий раствор содержит смесь Al(NO 3) 3 , тетраэтоксисилана, этанола и воды, молярное соотношение компонентов обеспечивает в пропитывающем растворе рН 4, а термообработку пропитанной заготовки кварцевой керамики осуществляют при температуре 950-1200°C. 1 з.п. ф-лы, 6 ил., 2 табл., 1 пр.

Рисунки к патенту РФ 2525892

Изобретение относится к керамической промышленности, а точнее к технологии получения модифицированных керамических материалов на основе кварцевого стекла с повышенной высокотемпературной прочностью для изготовления керамических изделий различного назначения.

Кварцевая керамика широко применяются для создания различных огнеупорных изделий для стекольной промышленности и металлургии (тигли, ковши, мешалки, патрубки, технологическая оснастка), методы ее получения известны по многочисленным научным публикациям, в том числе патентной информации.

В патентной информации US 20090206525, опубликованной 20.08.2009 по индексу МПК С04В 35/64, описан способ получения материала из кварцевой керамики, включающий формирование пористого керамической заготовки из суспензии кремнеземных частиц с последующей пропиткой пористого материала жидким раствором, содержащим спекающие добавки (соединения щелочных или щелочноземельных металлов, бора или фосфора).

Патентная публикация US 20120098169, опубликованная 26.04.2012 по индексу МПК С04В 35/64, описывает получение высокоплотной кварцевой керамики при использовании оксида бора в качестве спекающей добавки. Оксид бора вводился в состав материала в виде порошка на стадии изготовления исходной суспензии дисперсных частиц.

Использование соединений бора в качестве спекающей добавки для кварцевой керамики, вводимой путем пропитки жидким раствором пористой керамической заготовки, описано также в патентной публикации US 20090206525.

Керамика, содержащая SiO 2 и Al 2 O 3 , хорошо известна своими высокими прочностными свойствами и термостойкостью и описана в научной и патентной литературе. При этом в литературе описаны керамические материалы, характеризующиеся различным соотношением компонентов (Al 2 O 3 /SiO 2) и полученные различными методами. Так, в патенте US 4895814, опубликованном 23.01.1990 по индексу МПК С04В 35/18, описана керамика, обладающая повышенной прочностью при высоких температурах. Описанный в этом патенте технологический процесс включает использование аморфных порошков оксидов алюминия и кремния, прессование их смеси и спекание при температурах 1500-1750°С.

Необходимо отметить, что полученная керамика содержит более 50 вес.% оксида алюминия.

В патенте РФ 2436206, опубликованном 10.12.2011 по индексу МПК H01Q 1/42, упрочнение и герметизацию поверхностного слоя кварцевой керамики осуществляют путем модификации ее поверхностного слоя на глубину 1-3 мм пропиткой водным раствором соли хрома с плотностью 1200-1400 кг/м 3 с последующей сушкой и термообработкой материала при температуре 450-750°С в течение 1-3 часов.

Метод пропитки растворами, содержащими соединения хрома, пористых огнеупорных изделий с целью их упрочнения был описан также в патенте US 3789096, опубликованном 29.01.1974 по индексам МПК В23Р 15/28, B24D 3/14? С04В 41/50. В этом способе технологический процесс включает полную пропитку керамической заготовки водным или спиртовым раствором соединений хрома с последующим обжигом при температуре спекания материала. Пропитку осуществляют по всему объему путем погружения заготовки в раствор. Как и в предыдущих аналогах, соединения хрома вводятся до обжига материала или изделия, и они являются структурными элементами материала, положительно влияющими на одни и отрицательно на другие свойства материала и изделия. Как описано в патенте РФ 2436206, применительно к кварцевой керамике такое техническое решение приводит к усилению кристаллизации кварцевого стекла, снижению термостойкости, прочности и ухудшению диэлектрических характеристик материала.

В патенте US 5639412, опубликованном 17.06.1997 по индексам С04В 35/14, С04В 35/624, С04В 38/00, описан золь, состоящий из частиц кремнезема, поверхность которых модифицирована ионами металлов (в качестве примера в патенте описана модификация частиц кремнезема ионами алюминия). Золь, согласно описанию патента, имеет pH<3, а размер коллоидных частиц настолько мал, что обеспечивал возможность формирования из таких частиц пористого тела с размером пор 20 Å.

Необходимо отметить, что использование золя, описанного в патенте US 5639412, в качестве пропитывающего раствора для модификации и упрочнения кварцевой керамики является неэффективным. В описанном золе соотношение атомов алюминия и кремния составляет, в соответствии с описанием патента, /+=0,01-0,05. При пропитке таким золем исходного керамического материала, содержащего более 99% SiO 2 и имеющего открытую пористость менее 30%, и последующей термообработке полученный модифицированный материал будет содержать не более 0,03% Al 2 O 3 . Близкий по химическому составу композиционный золь, содержащий SiO 2 и Al 2 O 3 и используемый для изготовления пористой керамики, описан в патенте US 5610109, опубликованном 11.03.1997 по индексам МПК C04B 35/14, C04B 35/624, C04B 38/00.

По технической сущности наиболее близким к предлагаемому материалу является упрочненный керамический материал, описанный в патенте РФ 2458022, опубликованном 10.08.2012 по индексам МПК C04B 35/14 и B82B 3/00. В этом патенте описана наномодифицированная кварцевая керамика, включающая пористую керамическую основу из зерен кварцевого стекла и модифицирующую добавку из оксида алюминия. В качестве основы описанный материал содержит обожженную кварцевую керамику или изделия из нее с открытой пористостью 7-14%, полученные методом водного шликерного литья из полидисперсной суспензии с размером зерен от 0,1 до 500 мкм, при содержании частиц 0,1-5,0 мкм 20-30%, частиц 60-500 мкм 2-10%. В качестве модифицирующей добавки материал содержит наночастицы -Al 2 O 3 в количестве 1,0-2,5 вес.%, внедренные в зоны стыка зерен кварцевого стекла за счет массопереноса. Наночастицы -Al 2 O 3 получают за счет пропитки керамической основы водным раствором соли алюминия Al(NO 3) 3 ·9H 2 O, сушки и пиролиза при температуре 400-600°C. Недостатком способа-прототипа является то, что вводимые в стыковые зоны керамики наночастицы -Al 2 O 3 лишь заполняют часть пустот материала и немного увеличивают его плотность, в то же время практически не способствуя дополнительному связыванию кремнеземистых частиц в единый каркас.

Задача изобретения состоит в разработке метода получения высокопрочной термостойкой кварцевой керамики. Поставленная цель достигается тем, что наряду с модифицирующей добавкой соли алюминия в состав пропитывающего раствора вводится материал, способный формировать коллоидные частицы кремнезема, которые в свою очередь формируют цепочки и сети коллоидных частиц кремнезема, дополнительно связывающие частицы кремнеземистые частицы керамического материала.

Способ получения кварцевой керамики включает изготовление шликера из боя кварцевого стекла, формирование сырой заготовки методом отлива в гипсовые формы, пропитку сырой заготовки жидким пропитывающим раствором, сушку пропитанной заготовки кварцевой керамики и последующую термообработку, в отличие от прототипа пропитывающий раствор содержит смесь Al(NO 3) 3 , тетраэтоксисилана, этанола и воды, при этом молярное соотношение компонентов обеспечивает в пропитывающем растворе рН 4, а термообработку пропитанной заготовки кварцевой керамики осуществляют при температуре 950-1200°C.

Пропитывающий раствор имеет продолжительность гелеобразования от 10 минут до 6 часов.

С учетом технико-экономических требований способ получения плотной и механически прочной кварцевой керамики должен обеспечивать экологическую безопасность производства, не требовать использования сложного и дорогостоящего оборудования и быть основан на применении недефицитных и недорогих сырьевых материалов. Хорошо известно, что при термообработке при температурах >1200°C в кварцевой керамике происходят процессы кристаллизации кристобалита, сопровождающиеся значительным снижением прочности материала (см. ). Поэтому температура технологического процесса обработки изделий из кварцевой керамики не должна превышать 1200°C.

Использование кремнийорганических связующих для производства технической оксидной керамики описано в научно-технической литературе. Так, в приведены результаты разработок по использованию тетраэтоксисилана и других органосиликатных соединений в качестве связующего для порошкообразных материалов при изготовлении композиционных материалов.

Пропитка предварительно сформированных монолитных изделий из пористой кварцевой керамики кремнийорганическими полимерными соединениями описана в патенте РФ 2209494, опубликованном 27.07.2003 по индексу МПК H01Q 1/42. Пропитанные этими соединениями керамические изделия в последующих технологических процессах не подвергались термообработке и по структуре материала представляли собой полимерно-керамический композит.

Выбор способа обработки изделий из кварцевой керамики основывается на рассмотрении свойств обрабатываемого материала и общей используемой технологической схемы изготовления из него изделий.

Общая используемая схема изготовления изделий из кварцевой керамики является общепринятой (см. напр. ) и включает следующие основные технологические операции:

1. Изготовление шликера из боя кварцевого стекла.

2. Формирование сырой заготовки методом отлива в гипсовые формы.

3. Сушка сырого изделия.

4. Термообработка при температурах 1100-1200°С.

По технико-экономическим причинам (экономия энергоресурсов; отсутствие необходимости использования дополнительного сложного оборудования) технологический процесс упрочнения керамических изделий целесообразно совместить с одной или несколькими уже использующимися стадиями технологического процесса.

В предлагаемом методе стадию упрочнения кварцевой керамики предлагается совместить с уже используемой в технологическом процессе стадией термообработки материала при температурах 1100-1200°С. Хорошо известно, что при термообработке при этих температурах происходит полное разложение нитрата алюминия с образованием оксида.

Хорошо известно, что в водном растворе тетраэтоксисилан (TEOS) гидролизуется с образованием кремниевой кислоты:

Скорость процесса гидролиза зависит от химического состава, pH и температуры раствора. Из уравнения реакции (1) хорошо видно, что для полного протекания процесса гидролиза TEOS молярное соотношение / в растворе должно быть 4.

Влияние pH раствора на протекание процессов гидролиза TEOS и конденсации частиц кремнезема подробно описано в литературе (см., например, ). В нейтральной среде скорость гидролиза невелика. Для ускорения гидролиза TEOS процесс проводят в щелочной или в кислой среде.

В щелочной среде при комнатной температуре процессы гидролиза TEOS и роста образующихся частиц SiO 2 протекают очень быстро. В таком растворе за очень короткое время образуются крупные частицы кремнезема, раствор быстро мутнеет и расслаивается из-за осаждения этих крупных частиц. Кроме того, в щелочной среде возможно образование осадков малорастворимых гидрооксидов металлов. Поэтому для введения в кварцевую керамику модифицирующих неорганических компонентов целесообразно использовать пропитывающие растворы, имеющие pH<7. Отметим, что водные растворы солей сильных кислот и некоторых металлов (например, алюминия) имеют pH<7 из-за частичного гидролиза.

Образующаяся кремниевая кислота способна формировать коллоидные частицы кремнезема, образуя коллоидный раствор (золь). Образующиеся коллоидные частицы, взаимодействуя друг с другом, образуют агрегаты, вязкость раствора постепенно увеличивается и жидкий раствор превращается в гель. Скорость перехода раствора из жидкого в гелеобразное состояние также сильно зависит от его химического состава, pH и температуры. С увеличением вязкости раствора скорость пропитки им керамики резко снижается. Поэтому химический состав и pH пропитывающего раствора должны быть выбраны таким образом, чтобы в течение всего процесса пропитки исходной заготовки из кварцевой керамики раствор оставался бы в жидком состоянии, и вязкость его оставалась бы практически неизменной. Это означает, что при комнатной температуре продолжительность гелеобразования свежеприготовленного раствора (промежуток времени от смешения исходных компонентов жидкого раствора до превращения этого раствора в гель) должна превышать 10-15 минут, т.е. время, в течение которого раствором могут быть пропитаны хотя бы поверхностные слои изделия из кварцевой керамики.

При контакте рассматриваемого свежеприготовленного пропитывающего раствора с кварцевой керамикой образующаяся при гидролизе TEOS кремниевая кислота может взаимодействовать с ее поверхностью частиц кремнезема, составляющих структуру керамики. Формирующиеся в результате этого взаимодействия новые химические связи будут дополнительно связывать частицы кремнезема и способствовать упрочнению керамики. Кроме того, коллоидные частицы кремнезема, образовавшиеся в растворе, заполняют поры и микротрещины в структуре керамики, способствуя уплотнению и упрочнению керамического материала.

Конкретный пример № 1 изготовления кварцевой керамики.

В качестве исходного материала были использованы образцы кварцевой керамики, полученные методом шликерного литья в гипсовые формы и подвергнутые сушке при комнатной температуре. Образцы имели форму штабиков размерами 65×8×8 мм и характеризовались пористостью ~25%.

Были изготовлены водно-спиртовые растворы на основе тетраэтоксисилана (TEOS, Si(C 2 H 5 O) 4) с модифицирующими компонентами для пропитки образцов пористой кварцевой керамики. Химический состав растворов приведен в Таблице 1. Образцы керамики пропитывались растворами при комнатной температуре в течение 10 минут. После пропитки образцы подвергались сушке при комнатной температуре в течение 24 часов и термообработке в электрической муфельной печи. Максимальная температура обработки образцов указана в Таблице 2. При обработке образцов № № 1-25 при достижении указанной максимальной температуры нагрев сразу же прекращался и образцы остывали до комнатной температуры. При обработке образцов № № 26-30 образцы выдерживались при максимальной температуре 2 часа и затем образцы остывали до комнатной температуры.

Определение кажущейся плотности и открытой пористости проводили методом гидростатического взвешивания в соответствие с ГОСТ 2409-80. Определение предела прочности при изгибе проводили методом трехточечного изгиба.

Результаты сравнительных испытаний, приведенные в Таблице 2, показывают, что обработка изделий из кварцевой керамики приводит к значительному увеличению ее прочности на изгиб. Наблюдаемое увеличение прочности проявляется при использовании различной продолжительности пропитки керамики растворами и при различных температурах ее последующей термообработки (950-1200°С).

Сопоставление данных по плотности керамики показывает, что плотность обработанных образцов выше. При этом необходимо отметить, что значения плотности обработанных образцов значительно ниже величины плотности плотного аморфного кремнезема (2,2 г/см 3). Наблюдаемое значительное увеличение прочности керамики при относительно небольшом увеличении плотности образцов позволяет предположить, что обработка приводит к заполнению наиболее мелких пор и залечиванию микротрещин, определяющих прочность материала.

Таблица 1.
Химический состав пропитывающих растворов.
№ п/п	Химический состав растворов и характеристика растворов					Состав твердой фазы, образующейся при сушке и последующей термообработке растворов , мол.%
	Вода, г	Этанол, г	TEOS, г	Al(NO 3) 3 9H 2 O, г	Характеристика раствора	SiO 2	Al 2 O 3
1	10	25	29	4	Пропитывающий состав прозрачен и однороден	96,4	3,6
2	10	3	29	4	Раствор неоднороден, отчетливо видна плохая смешиваемость компонентов
3	10	25	29	40	Раствор неоднороден, присутствуют отдельные неоднородные белые хлопья
В таблице приведен расчетный состав твердой фазы в мольных процентах оксидов.

Очевидно, что для однородной и воспроизводимой обработки керамических образцов пропитывающий раствор должен быть однородным. Испытанные нами образцы растворов № 2 и № 3 этим свойством не обладают.

Табл. 2.
Прочность на изгиб керамических образцов.
№ п/п	Продолжительность пропитки	Температура обработки, °С	Номер пропитывающего раствора	Прочность, кг/см 2	Среднее значение прочности P cp ., Кг/см 2	Среднеквадратичное отклонение,	Относительное стандартное отклонение,	Кажущаяся плотность,	Открытая пористость, %
1	-	950	-	7	11	9	0,82	1.72	21
2	-	950	-	10
3	-	950	-	7
4	-	950	-	27
5	-	950	-	2
6	16 часов	950	1	189	145	56	0,39	1,81	17,1
7	16 часов	950	1	182
8	16 часов	950	1	155
9	16 часов	950	1	164
10	16 часов	950	1	35
11	20 мин	950	1	131	140	24	0,17
12	20 мин	950	1	121
13	20 мин	950	1	136
14	20 мин	950	1	186
15	20 мин	950	1	124
16	90 мин	950	1	123	135	10	0,08
17	90 мин	950	1	135
18	90 мин	950	1	152
19	90 мин	950	1	133
11	-	1050	-	11	30	13	0,43	1,74	20,0
12	-	1050	-	39
13	-	1050	-	17
14	-	1050	-	43
15	-	1050	-	38

16	12 мин	1050	1	220	261	31	0,12	1,78	18,8
17	12 мин	1050	1	277
18	12 мин	1050	1	240
19	12 мин	1050	1	311
20	12 мин	1050	1	259
21	12 мин	1200	1	288	325	55	0,17	1,79	17,8
22	12 мин	1200	1	312
23	12 мин	1200	1	362
24	12 мин	1200	1	326
25	12 мин	1200	1	337
26	-	1200	-	98	116	27	0,23	-	-
27	-	1200	-	75
28	-	1200	-	120
29	-	1200	-	148
30	-	1200	-	142
31	12 мин	900	1	183	226	29	0,13
32	12 мин	900	1	233
33	12 мин	900	1	262
34	12 мин	900	1	202
35	12 мин	900	1	249
36	12 мин	20	1	152	137	23	0,17
37	12 мин	20	1	159
38	12 мин	20	1	146

39	12 мин	20	1	132
40	12 мин	20	1	95
Пропитка образцов № № б-11 осуществлялась в течение 16 часов при комнатной температуре. При обработке образцов № № 26-30 образцы выдерживались при максимальной температуре 2 часа и затем образцы остывали до комнатной температуры.

На Фиг.1 приведены зависимости прочности (кг/см 2) исходного (кривая 1) и пропитанного раствором (кривая 2) керамических образцов от температуры термообработки. При термообработке этих образцов нагрев прекращался сразу же по достижению заданной температуры и образцы извлекались из печи после ее охлаждения до комнатной температуры. Из графиков видно, что упрочнение сырых исходных образцов наблюдается лишь при температурах термообработки более 1000-1100°С. При температуре 900°С прочность исходных и обработанных образцов одинакова. Значительное увеличение прочности образцов, пропитанных раствором № 1 (см. Табл. 1), наблюдается при температурах >900°С. Именно поэтому заявляемый температурный интервал обработки материала 950-1200°С.

На Фиг.2 приведены зависимости относительного отклонения значений прочности образцов необработанной (кривая 1) и обработанной раствором (кривая 2) кварцевой керамики от температуры термообработки. Видно, что с увеличением температуры термообработки значения относительного отклонения значений прочности уменьшаются, т.е. разброс значений прочности образцов, обработанных при одинаковых условиях, становится меньше. Необходимо отметить, что значения относительного отклонения значений прочности образцов, обработанных раствором 1, значительно меньше, чем для необработанной керамики во всем использованном диапазоне температур термообработки. Это свидетельствует о том, что предлагаемый способ обработки кварцевой керамики обеспечивает не только значительное увеличение прочности, но и существенное уменьшение разброса ее значений, т.е. возрастает стабильность прочностных характеристик материала.

На Фиг.3 и 4 приведены электронно-микроскопические снимки поверхности образцов, исходной кварцевой керамики, неподвергнутой жидкостной обработке (Фиг.3), и образца керамики, подвергнутого обработке в соответствии с предлагаемым методом (Фиг.4). Оба образца керамики были подвергнуты термообработке при 1050°С. Сравнение приведенных снимков показывает, что принципиальных изменений в структуре материала не наблюдается. Этот факт является неудивительным, учитывая общую низкую (около 25%) пористость исходных керамических образцов и низкое содержание твердой фазы в использованном растворе. Однако обращает на себя внимание визуально отчетливо проявляемая несколько большая связанность структуры материала.

Существенно другая картина наблюдается для электронно-микроскопических снимков областей излома образцов (Фиг.5 и 6). Если для образца керамики, не подвергнутого упрочняющей обработке, наблюдается полное разрушение структуры материала (Фиг.5), то образец, подвергнутый упрочняющей обработке (Фиг.6), сохраняет связанные воедино кремнеземистые частицы.

Литература

1. Пивинский Ю.Е., Ромашин А.Г. Кварцевая керамика. - М.: Металлургия, 1974, 264 с.

2. Яо И.М. Композиционные керамические материалы на основе кремнийорганического связующего и тугоплавких бескислородных наполнителей. - Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Казанский государственный технологический университет, Казань, 2000.

3. Айлер Р. Химия кремнезема, ч.1. М.: Мир, 1982, 416 с.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ получения кварцевой керамики, включающий изготовление шликера из боя кварцевого стекла, формирование сырой заготовки методом отлива в гипсовые формы, пропитку сырой заготовки жидким пропитывающим раствором, сушку пропитанной заготовки кварцевой керамики и последующую термообработку, отличающийся тем, что пропитывающий раствор содержит смесь Al(NO 3) 3 , тетраэтоксисилана, этанола и воды, при этом молярное соотношение компонентов обеспечивает в пропитывающем растворе рН 4, а термообработку пропитанной заготовки кварцевой керамики осуществляют при температуре 950-1200°C.

2. Способ по п.1, в котором пропитывающий раствор имеет продолжительность гелеобразования от 10 минут до 6 часов.

Характеристики кварцевого стекла

Производство, характеристики и использование кварцевого стекла и трубок

Кварцевое стекло – один из популярных и практичных материалов, разнообразные изделия из которого находят применение во многих областях, от декора интерьера до светотехнической и полупроводниковой промышленности. Основной структурной единицей SiO2 является кремнекислородный тетраэдр. Такой материал ещё называют силикатным однокомпонентным стеклом, поскольку в состав его входит чистый оксид кремния. Сырьём для изготовления такого стекла является кремнезём (жильный кварц, двуокись кремния синтетического происхождения, кварцевый песок или чистейший горный хрусталь). Из-за воздействия высоких температур (1700-2150 градусов по Цельсию) в специальных плавильных печах происходит плавление сырья.

Профессиональная компания «Русский дом» имеет собственное современное производство изделий из стекломасс различных составов, в том числе и кварца. Наши квалифицированные и опытные мастера, используя современное оборудование и контролируя каждую партию изделий, создают высококачественный продукт, доступный каждому клиенту.

Классификация и тонкости производства

В зависимости от наличия пузырьков размером от 0,03 до 0,3 мкм в структуре материала различают: прозрачные (посторонних примесей не более 0,0001-0,00001%) и непрозрачные кварцевые стёкла (с содержанием оксида железа не более 0,02%). Кроме того, существует более подробная классификация материалов из прозрачных стекломасс:

• Технический – прочный аналог.
• Оптический – наделён высоким показателем светопропускания и химической чистоты. Подразделяется на 3 серии: для работы в обычных условиях (маркируется цифрой 0), при незначительном ионизирующем излучении (100) и для работы в условиях агрессивного излучения (маркируется числом 200).
• Легированный – со специальными добавками в составе.
• Особо чистый – материал с высоким уровнем гомогенности, без примесей и пузырьков газа.
• Кварцевая керамика – наделена защитой от радиоизлучений, кислот и высоких температур.

Заготовки из SiO2 имеют форму пластин, плит, а также овальных или круглых дисков.

Полное описание процесса создания заготовок или листов из кремнезёма займёт много места, поэтому осветим эту тему вкратце.

Непрозрачное стекло получают путём плавления обогащённого песка (после промывки и вакуумного обезвоживания) в электрических печах с нагревателями из графита или угля. Формирование заготовок может проходить как внутри печи, так и вне её. После этого осуществляется обжиг, очистка и механическая обработка.

Прозрачное стекло получают путём плавления сырья в газовых, вакуумных индукционных или в электрических вакуум-компрессионных печах. Также применяются водородно-кислородные горелки. В некоторых случаях, когда требуется тщательнейшая очистка, сырьё очищается путём перевода кремнезёма в тетрафторид кремния, после чего при помощи воды осуществляется разложение на два производных химических элемента: фтороводород и, соответственно, диоксид кремния.

В зависимости от назначения, сырья и способа изготовления трубки из кварца (ТК) маркируют различными буквами:

• Г – созданные газоплазменным способом.
• А – из горного хрусталя.
• Э – электротермическим методом.
• Б – из гранулированного кварца.
• О – создание происходит в одну стадию.
• Д – производство осуществляется в две стадии.

Мы готовы пойти навстречу нашим клиентам и выполнить индивидуальные заказы!

Особенности и области применения

Трубки и стержни из кремнезёма являются незаменимыми изделиями в химической промышленности, поскольку аналогов такому материалу найти практически невозможно. Данные элементы ценят за характеристики: диэлектрическая сопротивляемость, устойчивость к кристаллизации и перепадам температур, высокая светопропускаемость, а также низкое сопротивление ультрафиолетовым и инфракрасным лучам, стойкость ко многим сильным кислотам, стерильность и термостойкость (до 1250 оС), а также устойчивость к потемнению.

Продукция из кремнезёма, как правило, не поддаётся резке, в отличие от аналогичных товаров из классических стекломасс. Однако такие изделия можно шлифовать, сверлить или резать вращающимися карборундовыми или алмазными дисками.

Создание трубок из кремнезёма относится к волоконной оптики, но помимо этой области данные элементы находят практическое применение и в других сферах:

• Производство лабораторного оборудования.
• В металлургии.
• В торговле, промышленности и строительстве (полочки, столешницы, остекление дверей, перегородок и витрин).
• При создании котельного оборудования.
• Для изготовления кремниевых пластин и высокотемпературных устройств.
• Для элементов электронагревательных приборов.

Трубки также подразделяются на определённые виды. Они могут содержать примеси церия, окиси титана или низким содержанием гидроксила.

Кварцевое стекло может служить сырьём для изготовления многообразных товаров: муфелей, стеклобруса, линз, термопар, лабораторного оборудования, иллюминаторов и смотровых стёкол, предметов интерьера, стекловолокна, призм, посуды и сувенирной продукции.

Цена зависит от качества товара и производителя. Стоимость продукции компании «Русский дом» доступна практически каждому клиенту, который желает приобрести розничную или оптовую партию. Мы предоставляем выгодные скидки!