Стекло, ситаллы, графит

Стекло неорганическое – прозрачный (бесцветный или окрашенный) хрупкий материал, получаемый при остывании расплава, содержащего стеклообразующие компоненты (оксиды кремния, бора, алюминия, фосфора, титана, циркония и др.) и оксиды металлов (лития, калия, свинца, кальция, магния и др.). По типу стеклообразующего компонента различают стекло неорганическое силикатное (на основе SiO₂), боратное (В₂О₃), боросиликатное, алюмосиликатное и др. (рис. 7.3).

а) б)

Рис. 7.3. Схема непрерывной структурной сетки стекла:

а – кварцевого; б – натриево-силикатного

Благодаря возможности придавать неорганическому стеклу разнообразные свойства оно широко распространено в различных отраслях техники, строительстве, декоративном искусстве и быту.

Стекло органическое – техническое название прозрачных пластмасс на основе полистирола, поливинилхлоридов, поликарбонатов и др. По сравнению с неорганическим стеклом органическое отличается относительно небольшой плотностью и повышенной прочностью. Органическое стекло малочувствительно к ударам, толчкам и не дает опасных осколков. Применяется для изготовления трехслойного стекла для остекления самолетов, автомобилей и др. Из него изготавливают детали приборов, линзы, светофильтры и бытовые изделия.

Термин «ситаллы» образован от слов: стекло и кристаллы. За рубежом их называют стеклокерамикой, пирокерамами. Ситаллы получают на основе неорганических стекол путем их полной или частичной управляемой кристаллизации. 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 (рис. 7.4).

Рис. 7.4. Схема кристаллизации стекла при образовании ситаллов
с помощью катализаторов

Ситаллы получают путем плавления стекольной шихты специального состава с добавкой катализаторов, охлаждения расплава до пластичного состояния и формования из него изделий методами стекольной технологии и последующей кристаллизации. Ситалловые изделия получают также порошковым методом спекания.

В отличие от обычного стекла, свойства которого определяются в основном его химическим составом, для ситаллов решающее значение имеют структура и фазовый состав. Причина ценных свойств ситаллов заключается в их исключительной мелкозернистости, почти идеальной поликристаллической структуре. В них совершенно отсутствует всякая пористость, и усадка материала при их переработке незначительна. Свойства ситаллов изотропны. Большая абразивная стойкость делает их малочувствительными к поверхностным дефектам. Материалы обладают высокой химической устойчивостью к кислотам и щелочам, высокой жаростойкостью, газонепроницаемостью и нулевым водопоглощением, являются хорошими диэлектриками.

Жаропрочность ситаллов под нагрузкой составляет 800–1200 ºС. Ударная вязкость ситаллов выше, чем ударная вязкость стекла (4,5–10,5 кДж/м²), однако они являются хрупкими материалами. Обладают высокой твердостью (микротвердость 7000–10500 МПа) и износостойкостью.

Применение ситаллов определяется их свойствами. Из ситаллов изготавливают подшипники, детали для двигателей внутреннего сгорания, трубы для химической промышленности, оболочки вакуумных электронных приборов, детали радиоэлектроники. Ситаллы используют в качестве жаростойких покрытий.

Графит – минерал, наиболее устойчивая кристаллическая модификация чистого углерода. Кристаллическая решетка графита – слоистая структура, состоящая из шестиугольных слоев атомов углерода c параметрами а = 0,246 нм, с = 0,6708 нм (рис. 7.5).

Графит встречается в природе, а также его получают искусственным путем. Физико-механические свойства искусственного графита зависят от природы исходного сырья, технологии получения, плотности, степени ориентации кристаллов и др.

Графит хорошо проводит электрический ток. Обладает низкой твёрдостью. Плотность 2,08–2,23 г/см³. Цвет серый, блеск металлический. Неплавок, устойчив при нагревании при отсутствии воздуха (температура плавления графита под давлением свыше 100 атм. – около плюс 4000°C). В кислотах не растворяется. Природный графит содержит 10–12 % примесей глин и окислов железа.

Рис. 7.5. Кристаллическая решетка графита

В качестве исходных материалов для производства технического графита применяют твердое сырье – нефтяной кокс и каменноугольный пек в качестве связующего вещества. Заготовки формуются в процессе прессования или выдавливания. Процесс графитизации осуществляется путем нагрева заготовок (обожженных при 1200 °С) до 3000 °С.

Использование графита основано на ряде его уникальных свойств:

· для изготовления плавильных тиглей, футеровочных плит – применение основано на высокой температурной стойкости графита (при отсутствии кислорода), на его химической стойкости к целому ряду расплавленных металлов;

· для электродов, нагревательных элементов – благодаря высокой электропроводности и химической стойкости к практически любым агрессивным водным растворам (намного выше, чем у благородных металлов);

· для получения химически активных металлов методом электролиза расплавленных соединений. В частности, при получении алюминия используются сразу два свойства графита: хорошая электропроводность, что позволяет его использовать для изготовления электрода, и газообразность продукта реакции, протекающей на электроде. Газообразность продукта означает, что он выходит из электролизера сам и не требуется специальных мер по его удалению из зоны реакции. Это свойство существенно упрощает технологию производства алюминия;

· для твёрдых смазочных материалов, в комбинированных жидких и пастообразных смазках;

· в качестве наполнителя пластмасс;

· как компонент состава для изготовления стержней для чёрных графитовых карандашей (в смеси с каолином);

· для получения синтетических алмазов;

· для изготовления контактных щёток в электродвигателях, динамомашинах и прочих устройствах, где требуется надёжный подвижный контакт.