Неорганические материалы в полиграфии

Оглавление 
 

НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Неорганическим  материалам присущи негорючесть, высокая  стойкость

к нагреву, химическая стойкость, неподверженность старению, большая

твердость, хорошая сопротивляемость сжимающим нагрузкам. Однако

они обладают повышенной хрупкостью, плохо переносят резкую смену

температур, слабо сопротивляются растягивающим и изгибающим усилиям

и имеют большую  плотность по сравнению с органическими  полимерными

материалами.

Основой неорганических материалов являются главным образом

окислы и  бескислородные соединения металлов. Поскольку большинство

неорганических  материалов содержит различные соединения кремния

с другими элементами, эти материалы объединяют общим названием силикатные. В настоящее время применяют не только соединения кремния,

но и чистые окислы алюминия, магния, циркония и другие, обладающие более ценными техническими свойствами, чем обычные силикатные материалы.

Неорганические  материалы подразделяют на неорганическое стекло,

стеклокристаллические материалы — ситаллы и керамику.

1. НЕОРГАНИЧЕСКОЕ СТЕКЛО

Неорганическое  стекло следует рассматривать как особого вида затвердевший раствор — сложный расплав высокой вязкости кислотных и основных окислов.

Стеклообразное состояние является разновидностью аморфного состояния вещества. При переходе стекла из расплавленного жидкого состояния в твердое аморфное в процессе быстрого охлаждения и нарастания

вязкости беспорядочная  структура, свойственная жидкому состоянию, как бы «замораживается». В связи с этим неорганические стекла характеризуются

неупорядоченностью  и неоднородностью внутреннего  строения.

Стеклообразующий каркас стекла представляет собой неправильную

пространственную  сетку, образованную кремнекислородными тетраэдрами

[SiO₄]^-4 . На рис. 1,а показана такая сетка кварцевого стекла.

 Рисунок 1. Структура неорганического стекла: а – кварцевого; б – натрийсиликатного

При частичном изоморфном замещении кремния в тетраэдрах, например, на алюминий или бор, образуется структурная сетка алюмосиликатного

[Si_хA1О₄]^Z- или боросиликатного [Si_xBO₄] ^Z- стекол. Ионы щелочных (Na, К) и щелочноземельных (Са, Mg, Ва) металлов называются модификаторами; в структурной сетке стекла, они располагаются в промежутках тетраэдрических группировок (рис. 1,б).

Введение Na₂О или других модификаторов разрывает прочные связи

Si - О - Si и  снижает прочность, термо- и химическую стойкость стекла, одновременно облегчая технологию его производства. Большинство стекол имеет рыхлую структуру с внутренней неоднородностью и поверхностными дефектами.

В состав неорганических стекол входят стеклообразующие окислы

кремния, бора, фосфора, германия, мышьяка, образующие структурную

сетку и модифицирующие окислы натрия, калия, лития, кальция, магния,

бария, изменяющие физико-химические свойства стекломассы. Кроме того,

в состав стекла вводят окислы алюминия, железа, свинца, титана, бериллия

и другие, которые самостоятельно не образуют структурный каркас, но могут

частично замещать стеклообразующие и этим сообщать стеклу нужные

технические характеристики. В связи с этим промышленные стекла являются сложными многокомпонентными системами.

Стекла классифицируют но ряду признаков: по стеклообразующему  веществу, по содержанию модификаторов и по назначению.

В зависимости  от химической природы стеклообразующего вещества

стекла подразделяют на силикатные (Si0₂), алюмосиликатные

(Al₂O₃ — SiO₂), боросиликатные (В₂O₃ — SiO₂), алюмоборосиликатные (А1₂О₃ — В₂O₃ — SiO₂), алюмофосфатные (А1₂O₃ — Р₂O₅ ) и др. По содержанию модификаторов стекла бывают щелочными (содержащими окислы Na₂O, К₂O), бесщёлочными и кварцевыми. По назначению все стекла подразделяют на технические (оптические, светотехнические, электротехнические, химико-лабораторные, приборные, трубные); строительные (оконные, витринные, армированные, стеклоблоки) и бытовые (стеклотара, посудные, бытовые зеркала и т. п.).

Технические стекла в большинстве относятся к алюмоборосиликатной

группе и  отличаются разнообразием входящих окислов. Стекла выпускаются

промышленностью в виде готовых изделий, заготовок или отдельных деталей.

Общие свойства стекла.

При нагревания стекло плавится в некотором температурном интервале, который зависит от состава. На рисунке 2 показана температура стеклования t_c (вязкость 10¹³ П), ниже которой стекло приобретает хрупкость.

Рисунок 2. Зависимость свойств стекла от температуры: η- вязкость; E – удельный объём и теплосодержание, dE/dt – теплоёмкость и температурный коэффициент линейного расширения; t_с – температура стеклования; t_р – температура размягчения.

Для промышленных силикатных стекол температура стеклования

t_c = 425-600°С, температура размягчения t_p лежит в пределах 600 - 800°С. В интервале температур между t_с и t_p стекла находятся в высоковязком пластическом состоянии. При температурах выше t_p (1000— 1100°С) проводятся все технологические процессы переработки стекломассы в изделия. Свойства стекла, как и всех аморфных тел, изотропны. Плотность колеблется от 2,2 до 6,5 г/см3 (с окислами свинца, бария — до 8 г/см3).

Механические свойства стекла характеризуются высоким сопротивлением

сжатию (50—200 кгс/мм²), низким пределом прочности при растяжении

(3 – 9 кгс/мм²) и изгибе (5 – 15 кгс/мм²). Модуль упругости высокий

(4500 до 10⁴ кгс/мм²), коэффициент Пуассона µ= 0,184 - 0,26. Твердость стекла, как и других неорганических материалов, часто определяется

приближенным  методом царапания по минералогической шкале Мооса

и равна 5—7 единицам (за 10 единиц принята твердость алмаза, за единицу—

талька). Ударная  вязкость стекла низкая, оно хрупкое (а=1,5-2,5 кгс*см/см²). Более высокие механические характеристики имеют стекла бесщёлочного состава и кварцевые.

Важнейшими  специфическими свойствами стекол являются их оптические

свойства: светопрозрачность, отражение, рассеивание, поглощение и преломление света. Обычное неокрашенное листовое стекло пропускает

до 90%, отражает примерно 8% и поглощает около 1% видимого и частично

инфракрасного света; ультрафиолетовые лучи поглощает  почти полностью.

Кварцевое стекло является прозрачным для ультрафиолетовых лучей. Коэффициент преломления стекол составляет 1,47 — 1,96, коэффициент

рассеяния (дисперсии) находится в интервале от 20 до 71. Стекло с большим

содержанием РbО поглощает рентгеновские лучи.

Термостойкость  стекла характеризует его долговечность  в условиях

разных изменений  температуры. Она определяется разностью  температур,

которую стекло может выдержать без разрушения при его резком охлаждении в воде (0°С). Зависимость термостойкости стекла от температурного коэффициента линейного расширения и прочности показана на рис. 3.

Рисунок 3. Влияние  теплового расширения (а) и прочности (б) стекла на его термостойкость (по данным Г. М. Бартенёва)

Коэффициент линейного расширения α стекла составляет от 5,6*10^-7 1/°С

(кварцевое)  до 90*1 0^-7 1/°С (строительное), коэффициент теплопроводности— от 0,57 до 1,3 ккал/(М*ч°С). Для большинства видов стекол термостойкость колеблется от 90 до 170°С, а для кварцевого стекла она составляет 800-1000°С. Химическая стойкость стекол зависит от образующих их компонентов; окислы SiO₂, ZrO₂ , ТiO₂ , В₂O₃, АL₂О₃, CaO, MgO, ZnO обеспечивают высокую химическую стойкость, а окислы Li₂O,

Na₂O, K₂O, BaO и РbО, наоборот, способствуют химической коррозии стекла. Механическая прочность и термостойкость стекла могут быть повышены путем закалки и термохимического упрочнения.

Закалка, заключается  в нагреве стекла до температуры выше t_с и последующем быстром и равномерном охлаждении в потоке воздуха или в масле. При этом сопротивление статическим нагрузкам увеличивается в 3 - 6

раз, ударная вязкость в 5 - 7 раз. При закалке повышается также термостойкость стекла.

Термохимическое упрочнение основано на глубоком изменении структуры стекла и свойств его поверхности. Стекло подвергается закалке в подогретых кремнийорганических жидкостях, в результате чего на поверхности материала образуются полимерные пленки; этим создается дополнительное, по сравнению с результатом обычной закалки, упрочнение.

Повышение прочности  и термостойкости можно получить травлением закаленного стекла плавиковой кислотой, в результате чего удаляются поверхностные дефекты, снижающие его качество.

Силикатные  триплексы представляют собой два  листа закаленного стекла

(толщиной 2 - 3 мм), склеенные прозрачной эластичной  полимерной пленкой. При разрушении триплекса образовавшиеся неострые осколки удерживаются на полимерной пленке. Триплексы бывают плоскими и гнутыми.

Термопан —  трехслойное стекло, состоящее из двух стекол и воздушного

промежутка  между ними. Эта воздушная прослойка  обеспечивает теплоизоляцию.

Применение технических  стекол.

Для остекления транспортных средств используют преимущественно триплексы, термопан и закаленные стекла.

Оптические  стекла, применяемые в оптических приборах и инструментах,

подразделяют  на кроны, отличающиеся малым преломлением, и флинты - с высоким содержанием окиси свинца и большими значениями коэффициента преломления. Тяжелые флинты не пропускают рентгеновские и γ-лучи. Светорассеивающие стекла содержат в своем составе фтор.

Остекление  кабин и помещений, где находятся пульты управления мартеновских и электрических дуговых печей, прокатных станов и подъемных кранов в литейных цехах, выполняется стеклами, содержащими окислы железа и ванадия, которые поглощают около 70% инфракрасного излучения в интервале длин волн 0,7—3 мкм.

Кварцевое стекло вследствие высокой термической  и химической стойкости применяют для тиглей, чаш, труб, наконечников, лабораторной посуды. Близкое по свойствам к кварцевому стеклу, но более технологичное

кварцоидное стекло используют для электроколб, форм для точного литья.

Электропроводящие (полупроводниковые) стекла: халькогенидные и оксидные ванадиевые, находят широкое применение в качестве термисторов,

фотосопротивлений.

Теплозвукоизоляционные  стекловолокнистые материалы. Эти материалы

имеют рыхловолокнистую структуру с большим количеством воздушных

прослоек, волокна  в них располагаются беспорядочно. Такая структура сообщает этим материалам малую объемную массу (от 20 до 130 кг/м³)

и низкую теплопроводность [λ= 0,030 -0,0488 ккал/(м*ч*°С)].

Разновидностями стекловолокнистых материалов являются стекловата,

применение  которой ограничено ее хрупкостью; материалы АСИМ,

АТИМС, АТМ-3, состоящие из стекловолокон, расположенных между двумя

слоями стеклоткани  или стеклосетки, простеганной стеклонитками. Они

применяются в интервале температур от - 60 до 450-600°С. Иногда стекловолокна сочетают с термореактивной смолой, придающей матам более

устойчивую  рыхлую структуру (материал АТИМСС), рабочие температуры— до 150°С. Материалы, вырабатываемые из короткого волокна

и синтетических  смол, называются плитами. Коэффициент  звукопоглощения

плит при  частоте 200-800 Гц равен 0,5; при частоте 8000 Гц - 0,65.

Стекловату, маты, плиты применяют для теплозвукоизоляции кабин

самолетов, кузовов  автомашин, железнодорожных вагонов, тепловозов,

электровозов, корпусов судов, в холодильной технике, ими изолируют различные трубопроводы, автоклавы и т. д.

2. СИТАЛЛЫ (СТЕКЛОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ)

Ситаллы получают на основе неорганических стекол путем их полной или

частичной управляемой кристаллизации. Термин «ситаллы» образован от слов: стекло и кристаллы. За рубежом их называют стеклокерамикой, пирокерамами. По структуре и технологии получения ситаллы занимают

промежуточное положение между обычным стеклом  и керамикой. От неорганических стекол они отличаются кристаллическим строением, а от керамических материалов — более мелкозернистой и однородной микрокристаллической структурой.

Ситаллы получают путем плавления стекольной шихты  специального

состава с добавкой нуклеаторов (катализаторов), охлаждения расплава до

пластичного состояния и формования из него изделий методами стекольной

технологии  и последующей ситаллизации (кристаллизации), Ситалловые изделия получают также порошковым методом спекания.

В состав стекла, применяемого для получения ситаллов, входят окислы

LiO₂, Al₂O₃, SiO₂, MgO, СаО и др.; катализаторы кристаллизации (нуклеаторы). К числу последних относятся соли светочувствительных металлов Au, Ag, Сu, которые являются коллоидными красителями и находятся в стекле в виде мельчайших коллоидно-дисперсных частиц, а также фтористые и фосфатные соединения, ТiO₂ и др., представляющие собой глушители, распределяющиеся в стекле в виде плохо растворимых частичек. Нуклеаторы имеют кристаллическую решетку, подобную выделяющимся из стекла кристаллическим фазам, и способны в определенных условиях образовывать центры кристаллизации, приводя к равномерному закристаллизовыванию всей массы стекла. Ситаллы подразделяют на фотоситаллы, термоситаллы и шлакоситаллы.

Фотоситаллы получают из стекол литиевой системы с нуклеаторами —

коллоидными красителями. Фотохимический процесс протекает  при облучении стекла ультрафиолетовыми или рентгеновскими лучами, при этом

внешний вид  стекла не изменяется. Процесс кристаллизации происходит при повторном нагревании изделия.

Термоситаллы получаются из стекол систем MgO — А1₂O₃ — SiO₂,

СаО - А1₂O₃ - SiO₂ и др. с добавкой ТiO₂ , FeS и т. п. нуклеаторов. Кристаллическая структура ситалла создается только в результате повторной

термообработки  предварительно отформованных изделий.

Структура ситаллов многофазная, состоит из зерен одной  или нескольких

кристаллических фаз, скрепленных между собой  стекловидной прослойкой. Содержание кристаллической фазы колеблется от 30 до 95%. Размер кристаллов обычно не превышает 1—2 мкм. По внешнему виду ситаллы могут быть непрозрачными и прозрачными (количество стеклофазы до 40%).

Шлакоситаллы  получают на основе доменных шлаков и  катализаторов

(сульфаты, порошки  железа и др.); вводятся соединения  фтора для усиления

ситаллизации.

В отличие от обычного стекла, свойства которого определяются в основном его химическим составом, для ситаллов решающее значение имеет

структура и  фазовый состав. Причина ценных свойств  ситаллов заключается

в их исключительной мелкозернистости, почти идеальной поликристаллической структуре. Свойства ситаллов изотропны. В них совершенно отсутствует всякая пористость. Усадка материала при его переработке незначительна. Большая абразивная стойкость делает их малочувствительными к поверхностным дефектам.

Плотность ситаллов лежит в пределах 2,40-2,95 г/см3, прочность при

изгибе σ_изг= 7 - 35 кгс/мм² (и даже 56 кгс/мм²), σ_в =11,2 - 16,1 кгс/мм²,

σ_с = 70 - 200 кгс/мм², модуль упругости (8,4-14,1)*10³ кгс/мм². Зависимость

механической  прочности ситалла от температуры  показана на рис.4.

Рисунок 4. Зависимость предела прочности  при изгибе ситаллов (пирокерама) от температуры

До температуры 700 —780°С прочность материала уменьшается незначительно, при более высоких температурах быстро падает. Жаропрочность ситаллов под нагрузкой составляет 800 —1200°С. Максимальная температура размягчения t_pазм =1250 -1350°С. Ударная вязкость ситаллов выше, чем у стекла (а = 4,5 - 10,5 кгс*см/см²), однако они относятся к хрупким материалам. Твердость их приближается к твердости закаленной стали (микротвердость 700-1050 кгс/мм²). Они весьма износостойки (f_тp=0,07 - 0,19). Коэффициент линейного расширения лежит в пределах от 7*10^-7 до 300*10^-71/°С. По теплопроводности ситаллы в результате повышенной плотности превосходят стекла [λ=7,4 - 16,9 ккал/(м*ч*°С)]. Термостойкость высокая (Δt = 500 - 900°С). Стеклокристаллические материалы обладают высокой химической устойчивостью к кислотам и щелочам, не окисляются даже при высоких температурах. Они газонепроницаемы и обладают нулевым водопоглощением.

Применение ситаллов определяется их свойствами. Из ситаллов изготовляют подшипники, детали для двигателей внутреннего сгорания, трубы для химической промышленности, оболочки вакуумных электронных приборов, детали радиоэлектроники. Ситаллы используют в качестве жаростойких покрытии для зашиты металлов от действия высоких температур. Их применяют в производстве текстильных машин, абразивов для шлифования, фильер для вытягивания синтетических волокон. Из ситаллов могут быть изготовлены лопасти воздушных компрессоров, сопла реактивных двигателей, они используются для изготовления точных калибров и оснований металлорежущих станков.

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Научные основы материаловедения : учебник для техн.ун-тов и вузов / Под пед.Б.Н.Арзамасова. - Москва : Издательство МГТУ, 1994(неорганические материалы)

2.  Материаловедение : учеб. пособие для студентов немашиностроит. специальностей вузов / В. В. Плошкин. - 2-е изд., перераб. и доп. - Москва : Юрайт, 2011. - 463 с. : рис., табл. - (Основы наук). - Библиогр.: с. 406(общие свойства стекол,применение стекол)