Кварцевая керамика - Пивинский Ю.Е.
Скачать (прямая ссылка):
Такая высокая термостойкость, помимо низких значений коэффициента теплового расширения и модуля упругости объясняется также и тем, что уже при температурах выше П00°С имеет место релаксация возникающих тепловых напряжений за счет пластической деформации нагретых слоев материала. Перепады же температур до 1100°С кварцевая керамика выдерживает за счет низких значений коэффициента теплового расширения и модуля упругости.
В работе [15] описан эксперимент, в котором на цилиндрические образцы из кварцевой керамики диаметром 1,27 см направлялась струя кислородноводородного двигателя. Скорость струи в 2,5 раза превышала скорость звука, а тепловой поток на торце образца достигал 11,7-106 ккал/(ч-м2). При таких условиях эксперимента нагреваемый торец образца сразу плавился, и происходила абляция материала. Разрушения за счет тепловых напряжений также не наблюдалось, хотя противоположная сторона стержня имела комнатную температуру.
На рис. 118 дано сравнение устойчивости к термоудару кварцевой керамики и других радиопрозрачных материалов, пригодных для антенных обтекателей летательных аппаратов [36]. На оси ординат даны величины-максимального перепада температур, который может выдержать материал без разрушения в зависимости от интенсивности теплообмена с окружающей атмосферой, характеризуемого произведением коэффициента теплообмена на толщину стенки обтекателя. Данные
219
получены для случая одностороннего нагрева, расчетные значения свойств материалов взяты при комнатной температуре. За предельное значение принимался перепад температур между средой и образцом, при котором тепловые напряжения в материале достигали его прочности при растяжении.
На рис. 118 особо отмечены значения, соответствующие условиям аэродинамического нагрева при скоростях полета 3; 5 и ЮМ и толщинах стенки в 6,35 и 12,7 мм.
Перепады температур, выдерживаемые кварцевой керамикой, перекрывают весь диапазон температур: от комнатной до полного расплавления материала независимо от интенсивности теплообмена с окружающей средой. Поэтому разрушения кварцевой керамики в режиме однократного термоудара невозможно, независимо от толщины образца и интенсивности теплового потока на его поверхности. В этом отношении кварцевая керамика является уникальным материалом. По этой же причине она является и уникальным теплоизоляционным материалом, обладая наряду с высокой термостойкостью низкой теплопроводностью.
Рассмотренные результаты испытаний и теоретические оценки справедливы для однократного теплового цикла. Если условия эксплуатации требуют многократных термоциклов, то следует учитывать структурные изменения, накапливающиеся в материале. К таким изменениям относится появление кристобалита и изменение объема слоев материала, нагретых до оплавления. Оплавление приводит к уплотнению материала в слое и вызывает уменьшение его линейных размеров, что равнозначно появлению остаточных деформаций, а значит и остаточных напряжений. Поэтому многократное тепловое воздействие (в частности, при облучении в фокусе концентратора лучистой энергии) приводило к растрескиванию кварцевой керамики в зоне ее оплавления. При отсутствии оплавления кварцевая керамика выдерживает многократные температурные циклы.
В работе [49] отмечается, что образцы из кварцевой керамики с пористостью 18—20% выдерживали до появления трещин 40 термоциклов (нагрев до 1300°С, охлаждение в воде). После появления первых трещин образцы еще выдерживают до полного разрушения более 20 термоциклов. Появление кристобалита ухудшает термостойкость. Экспериментально это подтверждено
220
при исследовании термостойкости кварцевой керамики, получанной на основе синтетического кремнезема, методом термоциклирования на воздухе [19].
В работе [67] также отмечается, что кварцевая керамика с пористостью 15% выдерживает 50 теплосмен с охлаждением в воде, а с пористостью 3% —30 тепло-смен.
Термостойкость кварцевой пенокерамики изучали на кубиках со стороной 40 мм методом охлаждения в воде от температуры 850°С [164]. У кварцевой керамики разрушения не наблюдалось после 20 термоциклов. Пено-керамика на основе двуокиси циркония разрушалась после двух термоциклов, окиси алюминия после трех-четырех, окиси бериллия после шести-восьми, карбида кремния после десяти термоциклов.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
Электропроводность, диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь определяются прежде всего структурными характеристиками материалов на молекулярном, и атомарном уровнях. Поэтому эти свойства кварцевой керамики должны соответствовать по основным закономерностям свойствам кварцевого стекла. Влияние пористости и технологических факторов получения керамики сказывается только на абсолютном значении свойств.
Электрическое сопротивление
Кварцевое стекло является хорошим изоляционным материалом, и. поэтому естественно ожидать аналогичные свойства у кварцевой керамики.
На рис. 119 показана температурная зависимость электросопротивления кварцевого стекла (кривая 1), по данным [178, 198], кварцевой керамики, пропитанной силиконовой смолой (кривая 2), и исходной кварцевой керамики [16]. У исходной кварцевой керамики электросопротивление при комнатной температуре на восемь порядков ниже, чем у кварцевого стекла. При температурах выше 300°С эта разница резко уменьшается. Такое расхождение объясняется большей влажностью образцов исходной керамики в начальный момент измерений. По мере нагрева до 200°С влага удаляется,
