Кварцевая керамика - Пивинский Ю.Е.
Скачать (прямая ссылка):
До 900°С значения тепло- . проводности согласуются с ранее приведенными, а выше 900°С теплопроводность резко увеличивается в 5,5 раза по мере образования криспобали-га. При снижении температуры образца после высокотем- ч пературной выдержки теплопроводность соответствует таковой для кристобалита, пока не происходит превращения кристобалита в более низкотемпературную кристаллическую модификацию, сопровождающееся скачкообразным снижением теплопроводности в 2,5 раза. Дальнейшее увеличение теплопроводности по мере снижения температуры до 20°С соответствует общей закономерности изменения теплопроводности кристаллических окислов.
Резкое повышение теплопроводности кварцевой керамики по мере образования кристобалита было обнаружено и одним из авторов данной книги при измерении теплопроводности методом стационарного теплового режима на полом цилиндре.
Температура образцов по условиям измерения после 1000°С увеличилась со скоростью 30—40°С в час. Для одновременного замера теплопроводности по радиусу образца было установлено четыре термопары, что позво-
3,6 з,о 2А
' 18
- 7,2
0,6 0
\
/ І
/
7 1 1 1
!./
і
3
- .4
о сі а о о § ¦Ч О <( ч( -» <1
С\] <, ОО Сэ С\і
t,°c
Рис. 99. Изменение теплопроводности кварцевой керамики при наличии фазовых превращений: , ; _а—р -превращение; * — кварцевое стекло; 3 — кварцевая керамика; 4 — пенокерамнка
189
Лило измерить теплопроводность сразу в трех зонах по его толщине. Теплопроводность кварцевой керамики в зоне высоких температур возрастала за это время в три-четыре раза, тогда как в зоне температур ниже 900°С она соответствовала обычной для кварцевой керамики закономерности.
В зависимости от технологии получения кварцевой керамики, в особенности от режима обжига, в ней может иметь место некоторая кристаллизация. Последняя может существенно повлиять на величину теплопроводности и другие структурно чувствительные свойства, хотя уже сейчас имеются технологические режимы, описанные, в частности, в данной книге, которые практически исключают присутствие кристобалита в керамике. Если фактическая температура эксплуатации лежит выше 1100°С, то кристобалит образуется по мере увеличения срока службы изделия. При температурах выше 1650°С кварцевую керамику по этой причине не рекомендуется использовать дольше 5—10 мин, а выше 1100°С —дольше 20 ч.
Степень черноты
Тепловое излучение тел обусловлено сложными внутриатомными процессами. Носителями лучистой энергии являются электромагнитные колебания различных длин волн. Спектр и энергия электромагнитных колебаний, излучаемых нагретым телом, зависят прежде всего от атомарного состава, структуры вещества и температуры. Поэтому спектры теплового излучения и поглощения кварцевого стекла и кварцевой керамики должны быть идентичными. Наличие зерновой структуры и пористости кварцевой керамики, конечно, вносит свои поправки, но не изменяет одинаковой для обоих материалов природы теплового излучения, обусловленного физическими внутриатомными процессами в кварцевом стекле.
В качестве характеристик теплового излучения тел приняты спектральная и интегральная степени черноты. Спектральная степень черноты представляет собой отношение энергии излучения тела ло данной длине волны к энергии излучения абсолютно черного тела на этой же длине волны при одинаковой температуре. Интегральная степень черноты равна отношению полной
190
энергии, излучаемой во всем диапазоне длин волн, к полной энергии излучения абсолютно черного тела при этой же температуре. Если данное тело серое, т. е. его спектр излучения строго подобен спектру излучения абсолютно черного тела, выражаемому законом Планка, то спектральная и интегральная степени черноты в этом случае равны между собой, и расчет процессов лучистого теплообмена между телами значительно упрощается.
Кварцевое стекло и кварцевая керамика являются не серыми телами. Второй особенностью кварцевой керамики является ее частичная прозрачность в видимой и ИК-областях спектра. Прозрачные и полупрозрачные материалы имеют две особенности: во-первых, они излучают не только с поверхности тела, но и из глубинных слоев и, во-вторык, спектр их излучения в значительной степени определяется спектром поглощения, хотя закон Кирхгофа для полупрозрачных материалов в обычном виде неприменим.
Следовательно, интенсивность излучения кварцевой керамики, как и кварцевого стекла, будет зависеть не только от температуры и состояния поверхности, но и от толщины образца. Чем толще образец, тем больше у него поглощение, а значит, и большая степень черноты.
В работе [192] отмечается следующая зависимость интегральной степени черноты полупрозрачного материала (оптического стекла) при 1000°С от толщины образца:
Толщина слоя, мм...... 1,0 3,0 10,0 30,0 100,0
Интегральная степень черноты 0,40 0,57 0,63 0,82 0,9
Из рис. 95 видно, что излучение чистой кварцевой керамики и кварцевого стекла в диапазоне длин волн от 0,4 до 4 мкм будет незначительным, так как поглощение для образцов 5,97 и 29,85 мм составляет при комнатной температуре соответственно 10 и 20%. С увеличением температуры от 20 до 1000°С поглощение возрастает менее чем на 10%.
