книги / Технология строительной керамики

ся и не давать трещин при воздействии на него ударной нагрузки. Динамическую прочность материала выражают предельной кинети­ ческой энергией ударного тела, еще не вызывающей разрушения ма­ териала.

Предел прочности при ударном изгибе определяют с помощью маят­ никового копра.

Предел прочности (МПа) при ударном изгибе для

Если керамические материалы хорошо противостоят сжатию, хуже изгибу, растяжению и сдвигу, то ударному изгибу они сопротивляются недостаточно. Разрушение хрупких материалов характеризуется очень малыми деформациями как при сжатии, так и при растяжении.

В отличие от статической нагрузки, используемой для определения прочности при сжатии, ударная вязкость определяется динамическим нагружением материала (ударом), при котором напряжение в материа­ ле возрастает мгновенно до величины, способной разрушить его. По­ этому материалы, прочные при статической нагрузке, разрушаются или дают трещины при ударе. Отношение динамической прочности к статической выражается как динамический коэффициент.

При нормальных температурах керамические материалы при из­ ломе практически не обнаруживают пластической деформации, их разрушение наступает внезапно. В таких материалах наличие микро­ трещин недопустимо, так как они не могут переносить без разруше­ ния даже незначительные ударные нагрузки. По показателю удар­ ной вязкости изделия можно расположить в следующей последователь­ ности: грубые керамические изделия, фаянс, тонкокаменные изделия, фарфор.

Модуль упругости. Упругость керамических материалов характе­ ризуется способностью образцов (балочек) к обратному прогибу при снятии нагрузки.

Модуль упругости выражает сопротивление материала упругой деформации, определяемое отношением нормального напряжения ма­ териала к относительной деформации его при заданной величине на­ пряжения. Модуль упругости изменяется в широком диапазоне при нагреве образцов. С повышением температуры он значительно пони­ жается.

Теплоемкость однофазных материалов (например, стекла) можно также определить расчетным путем по правилу аддитивности на основе хими­ ческого состава.

Удельная теплоемкость отдельных керамических материалов в

С повышением влажности материала и температуры теплоемкость его увеличивается.

Термическая стойкость (термостойкость) — способность материа­ ла, не разрушаясь, без снижения прочности выдерживать резкие, мно­ гократные, значительные колебания темпе­ ратуры (тепловые удары). Она является важнейшим показателем качества изделий.

По показателю термостойкости определяют области возможного применения керамичес­ ких изделий.

Устойчивость керамического материала к термоудару обусловлена взаимодействием трех видов энергии: энергии упругой де­ формации, поверхностной энергии и кине­ тической энергии, связанной с образовани­ ем и ростом трещин.

Разрушение материала изделий при теп­ ловом ударе обусловливается прежде всего возникновением термических напряжений в результате различных коэффициентов тер­ мического расширения структурных эле­

ментов черепка (стекловидной и кристаллической фаз), напряжений, возникающих по кристаллографическим осям в одной из фаз, состав­ ляющих массу изделий, а также при нагреве изделия — температур­ ный перепад в его отдельных частях.

Поведение керамических материалов при термических ударах мож­ но схематически описать графиком (рис. 15).

Способность хрупких керамических материалов противостоять термическим ударам определяется распространением в них термиче­ ских трещин, которое может быть кинетическим, приводящим к мгновенному снижению прочности и разрушению материала, или квазистатическим, когда прочность материала снижается постепенно. По­ казатели термостойкости (в теплосменах) различных материалов сле­ дующие:

Термическая устойчивость характеризуется разностью температур между изотермическими поверхностями в изделии при установившемся тепловом режиме. Возникающие при внезапном нагревании или охлаждении напряжения почти в 2 раза превышают напряжения, воз­ никающие при стационарном тепловом режиме. Внезапное нагревание материала приводит к возникновению сжимающих поверхностных напряжений, а резкое охлаждение — растягивающих. Стойкость к внезапному охлаждению важнее стойкости к внезапному нагреванию, так как вероятность разрушения материала под влиянием растягиваю­ щих напряжений гораздо больше, чем под влиянием сжимающих.

Термическая стойкость изделий зависит от физико-химических и физико-механических свойств материала, модуля упругости, коэф­ фициента линейного термического расширения и коэффициента Пуас­ сона, от теплопроводности и температуропроводности материала, условий нагревания и охлаждения, размера и формы изделий, его макро- и микроструктуры, наличия пористости.

Скорость распространения возникающих трещин существенно сни­ жается в материале с определенной структурой, а также при наличии микротрещин. Она повышается при снижении коэффициента линей­ ного термического расширения, модуля упругости, коэффициента Пуас­ сона и при повышении однородности структуры, прочности материала изделий на разрыв и срез, теплопроводности и температуропровод­ ности.

Вероятность образования трещин при тепловом ударе снижается для изделий с меньшей прочностью, с высоким модулем упругости, высокой энергией поверхностного излома, малом размере изделий при наличии многочисленных мелких трещин (трещин Гриффитса).

Разрушение фарфоровых глазурованных образцов начинается с глазури при 150—300° С, неглазурованных — около 400° С. Глазури фаянсовых изделий разрушаются при более низком температурном перепаде, поскольку у них слабее сродство с черепком, чем у фарфо­ ровых глазурей. Термостойкость мягкого фарфора ниже термостойкости твердого фарфора. Чем выше температура нагрева фаянсового изде­ лия, при котором появляется цек глазури, тем выше эксплуатацион­ ные качества изделий (по Хоркорту):

Если температура, вызвавшая цек глазури, равна 200'* С и выше, то срок службы изделий очень большой: глазурь безусловно прочная. Термостойкость обратно пропорциональна коэффициентам линейного термического расширения. Зная распределение термических напряже­ ний, механические свойства керамических материалов, температуро проводность и коэффициент термического расширения материала,

Прямой зависимости между кажущейся плотностью и теплопровод­ ностью нет. Теплопроводность значительно влияет на термическую стойкость изделий. В керамических материалах передача тепловой энергии зависит не только от свойства материала (химический, мине­ ралогический состав, структура, влажность, кажущаяся плотность), но и от температуры и пористости. С повышением температуры прово­ димость тепла сначала снижается, а затем возрастает за счет конвек­ ции и увеличения доли лучистого переноса тепла внутри этих материа­ лов. При изменении температуры теплопроводность материала также изменяется.

Пористость материала снижает его теплопроводность почти в ли­ нейной зависимости. В пористом материале тепло передается через каркас и воздушные прослойки — поры (если материал сухой). В по­ ристых кристаллических материалах влияние пор на теплопроводность сказывается, если их размер больше длины волны фонона (тепловые упругие колебания атомов).

Снижение теплопроводности пористого материала объясняется’ рос­ том контактного теплового сопротивления ввиду того, что теплопро­ водность пор меньше любой из твердых фаз (I) при низких температу­ рах, поскольку поры заполнены воздухом, а коэффициент теплопро­ водности воздуха наименьший из всех коэффициентов теплопроводнос­ ти природных и искусственных материалов: К = 0,023 Вт/(м • °С).

Форма и размер пор в материале незначительно влияют на коэф­ фициент теплопроводности, однако ориентация пор при определенной пористости существенно изменяет коэффициент теплопроводности. Материалы с закрытыми порами менее теплопроводны, чем такие же материалы с открытыми порами. Коэффициент теплопроводности по­ ристых материалов (легкие заполнители, ультралегковес и др.) зави­ сит от кажущейся, а не от истинной плотности. Зависимость между коэффициентом теплопроводности и объемной массой пористых мате­ риалов может быть представлена в виде прямой (рис. 16).

Теплопроводность зависит от химического и минералогического состава, его структуры, прочности и модуля упругости. При пониже­ нии модуля упругости увеличивается термостойкость изделий в ре зультате повышения его сопротивляемости действию разрывающих термических напряжений. Теплопроводность пористых материалов значительно повышается с увеличением температуры. Она пропор­ циональна температуре в кубе и линейно пропорциональна величине пор. Повышение влажности пористых материалов увеличивает их теплопроводность, так так коэффициент теплопроводности воды (X = = 0,58 Вт/(м °С) почти в 25 раз больше коэффициента теплопровод­ ности воздуха. Особое значение имеет показатель коэффициента теп­ лопроводности для специальных теплоизоляционных материалов,

легких заполнителей бетонов и материалов, предназначенных для ог­ раждающих конструкций зданий. Подсчитано, что 1 т теплоизоляцион­ ного материала в промышленной теплотехнике сохраняет в год 50—300 т условного топлива.

Этот коэффициент объединяет два свойства материала: способность проводить и аккумулировать тепло. Коэффициент температуропровод-

Рис. 16. Зависимость коэффициента теплопроводности от плотности мате­ риала.

ности численно равен повышению температуры, которое произойдет в единице объема (массы) материала при поступлении в него тепла, численно равного его теплопроводности.

Термическое расширение. Коэффициент термического линейного

цессе эксплуатации при температурных изменениях претерпевают тепловое обратимое расширение.

Природа термического расширения состоит в увеличении амплитуды колебания атомов (ионов) относительно их среднего положения под влиянием температуры. Характеризуется оно коэффициентом отно­ сительного термического линейного (а) или объемного (р) расширения (КТР) материала при его нагревании на 10 С. Для твердых материалов Р £=; За. Расчеты (ориентировочно) КТР для керамических масс, гла­ зурей, ангобов и других можно подразделить на две группы.

Первая группа расчетов базируется на аддитивной зависимости КТР от процентного содержания оксидов, вторая — на аддитивной зависимости КТР от молярного содержания оксидов (метод Аппена). Средняя точность расчетов при 20—400° С составляет в первом слу­ чае 5%, во втором — 2—3%.

Коэффициент термического расширения — величина переменная, зависящая не только от материала изделия, его минералогического

и фазового составов, структуры, но и от температуры. С повышением тем­ пературы коэффициент термического расширения увеличивается глав­ ным образом в результате увеличения амплитуды колебания атомов в узлах кристаллической решетки относительно их среднего поло­ жения при ослаблении силы связи ионов в кристаллической решетке. Прямая зависимость влияния пористости на КТР не установлена, хотя известно, что термическое расширение снижается с увеличением пористости черепка изделий. Стекловидная фаза наряду с муллитом снижает коэффициент термического расширения. Изделия с высоким содержанием кварца и небольшим содержанием полевого шпата имеют

^2г

4

1

2

J

Рис. 17. Схема напряжений в черепке и глазури в зависимости от соответст­ вия их КТР:

наибольший КТР при температуре обжига 900° С. С увеличением тем­ пературы обжига КТР уменьшается. КТР образцов, не содержащих кварц, медленно увеличивается с увеличением температуры обжига,

иплотноспеченный черепок имеет максимальный КТР. Чем сильнее растворение кварца в расплаве, тем ниже КТР.

При расчете керамических масс и глазурей соответствие КТР гла­ зури и черепка является одним из основных требований (расхожде­ ние не более ±4% ). Поскольку достичь этого соответствия трудно, необходимо, чтобы КТР глазури был на 10—20% меньше КТР череп­ ка — глазурь должна быть под напряжением сжатия. Согласованность КТР глазури и черепка, обеспечивающая незначительные сжимающие напряжения в глазури после перехода ее в твердое состояние, не только упрочняет черепок, но и исключает появление волосных трещин (цек)

иотслаивание (рис. 17).

При КТРЧ< КТР, в момент перехода из пиропластического со­ стояния в твердое элементарный участок, определяющий исходную длину для черепка /оч и глазури /0р (рис. 17, а ) , примет положение

h 4 < h r (рис. 17, б ) . В глазурном покрове, прочно связанном с череп­

ком через контактный (переходной) слой, возникнут растягивающие напряжения, которые при превышении прочности на растяжение гла­ зурного покрова вызовут разрыв его (появится сеть мелких трещин — цек). Участки глазури, ограниченные сетью трещин, удерживаются контактным слоем на поверхности изделий. Сетка крупных трещин указывает на незначительное несоответствие КТР, и КТРЧ, мелких — на большое различие их.