Кварцевая керамика - Пивинский Ю.Е.
Скачать (прямая ссылка):
Горячее прессование кварцевой керамики
Первые сведения по горячему прессованию кварцевой керамики относятся к 1960 г. [15]. *В это время еще не были проведены работы по получению плотноспеченной кварцевой керамики [46, 48, 51]. Посредством горячего прессования предполагалось избежать те трудности при спекании, которые не позволили получить кварцевую керамику высокой плотности.
Установлено [15], что кварцевое стекло в процессе горячего прессования в основном ведет себя как вязкая жидкость и уравнение скорости процесса в зависимости от давления, вязкости, времени и уплотнения соответствует выражению
с?р/^т = (1 —р), (67)
где р — относительная плотность в момент времени т; р — приложенное давление: Таким образом, для значительного внешнего давления уравнение скорости процесса приобретает форму кинетической кривой первого порядка, причем константа скорости равна отношению приложенного давления к вязкости. Интегрирование уравнения (67) дает
1п (1_р) = ± т + С. (68)
При / = 0, р = ро( исходная плотность образца в форме до прессования), откуда константа интегрирования
179
равна 1п(1—р). Следовательно, график функции 1п (1-—р) в зависимости от времени должен давать прямую линию, по наклону которой может быть определена вязкость.
Экспериментальное исследование горячего прессования кварцевой керамики осуществлялось в графитовых формах. Были использованы три произвольно выбранные фракции кварцевого стекла (5 мкм; 74—104 мкм; 208—295 мкм). Давление при пре'ссовании варьировали
0 20 40 60 0 10 20 30
г, мин
Рис. 92. Зависимость величины 1п (! — р) от продолжительности горячего прессования при режимах I = 1150°С- Р= 70 иге/см2 (о) и ^=1а00°С, Р=70 кгс/см2 (б) для размера частиц:
/ — 5 мкм; 2 — 74—100 мкм; 3 — 208—295 мкм
в пределах 70—170 кг/см2, температуру — 1100— 1200°С, продолжительность прессования — до 90 мин. Зависимость 1п (1 — р) от продолжительности горячего прессования при двух режимах последнего представлена па рис. 92. Установлено, что дисперсность кварцевого стекла, за исключением самых крупных фракций, на процесс горячего прессования влияет незначительно. Прямолинейная зависимость 1п (1 — —р)—т свидетельствует о вязкостном механизме горячего прессования [уравнение (68)].
Методом горячего прессования был получен конусообразный образец высотой 250 мм и диаметром у основания 120 мм. Получаемая горячим прессованием в работе [15] кварцевая керамика обладала пористостью до 3.%.
В отличие от работы [15], где для горячего прессования применялись монодисперсные порошки проведены1 предварительные исследования процесса горячего прессования на полидисперсных порошках кварцевого стекла с удельной поверхностью 10000 см2/г, полученных сухим помолом в шаровой мельнице. Горячее прессование осуществлялось при постоянном давлении 200 кгс/см2, температура изменялась от 1200 до 1400"С, продолжительность— от 10 до 40 мин. Плотность кварцевой керамики, полученной горячим прессованием (выдержка 10 мин) при температурах 1200, 1300, 1400°С, составила 2,00; 2,13; 2,20 г/см3, соответственно.
Глава III
Свойства кварцевой керамики
ОБЩИЕ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
Кварцевая керамика имеет белый цвет, с увеличением плотности она по внешнему виду все больше приближается к матовому цвету непрозрачного кварцевого стекла. По химическому составу кварцевая керамика является чистой двуокисью кремния, молекулярная масса которой равна 60,06. По структуре это—аморфный материал, поскольку керамика состоит из отдельных, спеченных между собой зерен кварцевого стекла. Эта структурная особенность обусловливает специфику кварцевой керамики. С одной стороны, это — материал, состоящий из зерен кварцевого стекла, что определяет на молекулярном уровне большинство характерных для стеклообразного вещества зависимостей свойств, с другой стороны, это — материал, полученный методами керамической технологии, что определяет специфику свойств на микро- и макроскопическом уровнях, в частности, наличие пористости, влияние на свойства керамики технологических факторов получения исходного сырья, условий формования, режимов термообработки и т. д.
1 Опыты по горячему прессованию кварцевой керамики проведены автором совместно с Ф. Я. Харитоновым.
181
180
Свойства кварцевой керамики однородны по объему материала и изотропны. При нагреве и охлаждении она не претерпевает фазовых превращений, сопровождающихся изменением объема, вплоть до 1100°С
Как уже отмечалось ранее, степень кристаллизации зависит от температуры, времени, чистоты материала и его дисперсности. В зависимости от условий эксплуатации кварцевая керамика может использоваться вплоть до температуры плавления аморфной двуокиси кремния, а при очень коротком времени (в течение нескольких секунд) температура поверхности изделий из кварцевой керамики может достигать 2200°С без нарушения целостности [175].
Поскольку кварцевая керамика является аморфным стеклообразным веществом, то четко выраженной температуры плавления, характерной для кристаллических материалов, она не имеет. Для нее, как и для кварцевого стекла, характерно плавное по мере роста температуры уменьшение вязкости. Поэтому разные авторы дают разные значения температуры изменения состояния кварцевого стекла и кварцевой керамики, подразумевая при этом переход от состояния твердого тела (когда вязкость выше 1013—10й П) к размягченному. По данным [|176, 177], температура изменения состояния кварцевой керамики составляет 1370°С, по данным [201] П40°С. По температуре кипения кварцевой керамики, так же как и по температуре кипения кварцевого стекла (а они должны совпадать), в литературе имеются разноречивые сведения — 2230°С [178] и 2800°С [179].
