Пивинский Ю.Е., Ромашин А.Г. - Кварцевая керамика (1049256), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Глава 1 Основные сведения о кремнеземе и кварцевом стекле ОДНОКОМНОНЕНТНАЯ СИСТЕМА КРЕМНЕЗЕМА Основой представлений о системе кремнезема при нормальном давлении являются классические труды Феннера, основное содержание которых изложено в работе 17). Результаты его работ сводятся к следующему: кристаллический кремнезем образует три модификации перво)ч) порядка — кварц, триднмнт, и кристобалит.
При этом кварц термодинамически устойчив, начиная от низких температур до 870'С, тридимит — от 870 до 1470'С, а кристобалит — от 1470 до точки плавления 1625'С (рис. 1,а). Взаимные, превращения этих модификаций могут. происходить только в течение длительного времени и в присутствии минерализаторов (в исследованиях Феннера .применялся вольфрамат натрия). Из работы Феннера также следует (рис. 1,а), что каждая из модификаций рме, 1. дненремме нреерещенна кремнезема по Февнеру )а) н Прн- нншннкоеу гб) образует модификации второго порядка (а- и р-кварц, а- 8- н Т-тридимит, а- и р-кристобалит).
Превращения внутри одной,модификации ~в отличие отвзаим)ных)прев- ращений модификаций происходят быстро. / В последние годы выполнен целый,ряд работ по изучению системы кремнезема, в резульз'ате которых были синтезированы при высоких давленцйх новые модификации — коэсит, китит, стишовит, вобокнистая модификация кремнезема, кварцевое стекло1 высокой плотностью. Применительно к технологии и высокотемпературной эксплуатации кварцевой керамики представляет интерес рассмотреть поведение чистого кремнезема. Под термином ччистый кремнезем» [71 приняты все модификации кремнезема, содержащие примеси в сумме ие более 0,01 $.
'В последние годы в целом ряде работ [7, 82 — 881 быЛо показано, что в 'случае чистого кремнезеМа' тридимит не является самостоятельной фазой. В связи с этим в диаграмму состояния 81Ом по Феииерулбыли внесены существенные коррективы. На рис, 1,б представлена диагра~мма состояния чистого кремнезема, по ~Прянишникову [71, наиболее' полно отражаютцая новые данные о превращениях 81О„. ~Как следует из диаграммы, для случая чистого ~крчсталллческого кремнезема устойчивый,при температуре ниже 573'С низкотемпературный (р) кварц при нагревании обратимо превращается в высокотемпературный (а) кварц.
Последний является стабильным до температуры 1400 — 1450'С. При нагревании выше этой температуры а-кварц испытывает одновременно два превращения в а-кристобалит и в аморфную фазу переменной плотности, которая при дальней1пем повышении температуры дает расплав. При температуре 1723'С а-кристобалит плавится с образованием расплава, который при охлаждении постепенно увеличивает вязкость и застывает, образуя кварцевое стекло.
Высокотемпературный (и) кристобалит, стабильный в интервале 1400 — 1723'С при охлаждении до 220 — 270'С превращается в 8-кристобалит. Кроме того, кварцевое стекло в определенных условиях при температуре выше 1100 — 1200'С тоже может превращаться в а-кристобалит. Температура перехода кристаллического или аморфного кремнезема в а-кристобалит может существенно понижаться при наличии даже малого количества примесей и особенно щелочей. Существепно отличается и температура перехода в кристобалит для аморфного и кристаллического 3Юь Так, если бразильский, кварц превращается в кристобалит при температурах 1600'С, то кварцевое стекло,.или гель кремнекислоты — уже при 14 температуре — 12(№С. Понижение температуры кристаллизации для аморфного кремнезема обусловлено меньшей разницей свобб~1ной энергии и меньшей энергией активации процесса. КВАРЦЕВОЕ СТЕКЛО Кварцевое стекло является единственным одиокомпонентным оксидным стеклом, выпускаемым промышленностью.
Оно — простейший представитель группы силикатных стекол и поскольку исследователи не без основания полагали, что легче и с большим успехом можно понять структуру и свойства одиокомпонеитиого стекла, чем одно из миогокомпонеитиых, то стекло это, естественно, исследовали. Оказалось, однако, что простота .кварцевого стекла обманчива. Этот материал обладает многими специфическими особенностями и сложной природой.
Кварцевое стекло проявляет большую чувствительность к примесям, чем исследованные миогокомпонентные стекла [891. Кварцевое. стекло получают путем плавления природных разновидностей кремнезема — горного хрусталя, жильного кварца и кварцевых песков, а также синтетической двуокиси кремния. Различают два основных вида кварцевого стекла — прозрачное стекло и непрозрачное. Технология производства кварцевого стекла сильно отличается от методов варки и выработки обычных промышленных миогокомпонеитиых стекол, что обусловлено целым рядом причин — высокой температурой плавления кремнезема, исключительно высокой вязкостью расплава, невозможностью осветления стекломассы и сильным испарением расплава при высоких температурах.
В связи с этим для получения кварцевого стекла приходится применять специальные методы плавки, связанные с вакуумом и повышенным давлением, пользоваться высоко- температурными электрическими и газовыми печами сложной конструкции и сравнительно небольшого объема. Формование изделий из кварцевого стекла осуществляется машинами, рассчитагп1ыми иа создание ~больших усилий в короткии промежуток времени [90).
Сырьем для получения непрозрачного кварцевого стекла служат высококачественные кварцевые пески, Их обогащают на сотрясательном столе, промывают и сушат, Содержание 510з в обогащенном песке должно 15 / быть не менее 99,6 — 99,7$. Размер зе н, как правило, составляет 0,2 — 0,35 мм.
Наплавление заготовок осуществ яется в электрических печах сопротивления с графи выми и угольными нагревателями. После плавки из,12аготовок, находящихся в ~пластичном состоянии, формуются изделия. Чаще всего формование производится вне печи, что упрощает ее конструкцию. 'В зависимости от типа изделий различают следующие методы формования: растяжка блока в трубу, раздувка блока в формы, прессование блока на гидропрессе. Температурная область формования непрозрачного кварце- його стекла находится в интервале 1550 — 1650'С. Основным способом формования паплавленного блока в изделие является раздув массы сжатым воздухом в чугунные формы. Давление воздуха при раздуве составляет 5 — 8 ат. В дальнейшем изделия подвергаются механической и термической обработке.
Обязательной операцией при изготовлении толстостенных или крупногабаритных изделий из кварцевого стекла янляется отжиг. Внутренние остаточные напряжения в изделиях, достигающие до отжига 90 — 120 кгс/см', начинают уменьшаться при температуре 850 — 900'С и практически исчезают при 1080— 1100'С (90].
Сырьем для производства прозрачного кварцевого стекла главным образом является горный хрусталь и высококачественные обогащенные кварциты 1901. Содержание 5102 в исходном сьгрье достигает 99,96 — 99,98/о. В последние годы получили развитие методы получения прозрачного, кварцевого стекла из синтетического сырья, по которым кремнезем изготовляют гидролизом или прямым окислением четыреххлористого кремния а высоко- температурном пламени. В таком материале содержание примесей значительно меньше, чем в материале, полученном на основе обычного сырья. Основными промышленными способами получения прозрачного кварцевого стекла являются вакуумкомпрессионнын и газовый.
Вакуумкомпрессионная плавка вначале осуществляется под вакуумом, благодаря чему резко сокращается количество газов, заплавляемых в стекло, а перед концом плавки вакуум заменяется давлением (при помощи инертного газа), в результате которого оставшиеся пузыри сжимаются и растворяются, Применяется также вакууматмосферный вариант этого способа, при котором после плавки под вакуумом расплав кремнезема вь1держивается под атмосферным давлением. Газовый способ йлавки обеспечивает получение высококачественного стекла, пригодного для оптических целей.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
