Неорганические полимеры

Графит

Графит как аллотропическая разновидность углерода имеет кристаллическое строение с параллельными слоями гексагональных атомных плоскостей. Между плотноупакованными атомами в плоскостях действует прочная ковалентная связь, а удаленные друг от друга плоскости слабо связаны ван-дер-ваальсовыми силами. Поэтому графит имеет анизотропию в направлениях вдоль и поперек атомных кристаллических плоскостей.

Прочность и твердость графита невелики, электропроводность и теплопроводность характеризуются высокими значениями благодаря наличию свободных электронов между атомными плоскостями. Кроме этого графит обладает химической стойкостью, жаропрочностью и антифрикционными свойствами.

П р и р о д н ы й графит содержит примеси, имеет поры, поэтому его кристаллическая структура несовершенна, качества невысоки, их анизотропность выражена слабо. Применяется природный графит как антифрикционный и электропроводящий материал.

И с к у с с т в е н н ы йграфит отличается совершенной кристаллической структурой, повышенной плотностью, прочностью и жаропрочностью, высокой анизотропией. Его получают методами тепловой обработки высококачественного каменного угля или терморазложения углеводородного газа.

Тепловая обработка антрацита либо кокса с добавлением каменноугольного или нефтяного пека (смолы) производится путем их нагрева до температуры 1000…13000С в безокислительной среде для удаления примесей. Получаемая углеграфитовая масса может иметь различную пористость, а также соответствующую плотность и другие свойства в зависимости от технологических характеристик тепловой обработки.

Терморазложение углеводородных газов таких, как метан, пары бензола, ацетилен происходит в процессе их диффузии через поры углеволокнистого каркаса заготовки при температуре 900…1200⁰С. В результате разложения газа образуется пироуглерод, который осаждается на волокнах каркаса и заполняет его поры. Чтобы обеспечить закрытие пор и уплотнения пироуглеродного материала, удаление примесей и образование кристаллической графитовой структуры, получаемая заготовка подвергается высокотемпературной обработке в безокислительной среде индукционной печи при температуре 2200…3000⁰С. Качество заготовки из грачитового материала определяется как условиями терморазложения, так и свойствами, а также расположением углеродных волокон.

Прочность и упругость графита возрастают с повышением температуры до 2400⁰С и снижаются при дальнейшем нагреве. При температурах более 400⁰С усиливается окисление графита, поэтому для увеличения жаростойкости применяют легирование графита введением Nb, Ta, Si или наносят защитные покрытия.

Теплопроводность графита в направлении плотноупакованных атомных плоскостей в 10 раз превышает теплопроводность в перпендикулярном направлении. Поэтому графит можно использовать и как теплопроводник, и как теплоизолятор. Графит также применяют в качестве антифрикционного материала для условий трения с высокими или низкими температурами, большими скоростями, при воздействии агрессивных сред.

Благодаря высокой жаропрочности графит используют при изготовлении термонапряженных деталей тепловых двигателей, малое сечение захвата нейтронов позволяет применять его в ядерных реакторах. Сочетание антифрикционных и электропроводящих свойств обусловило применение графита для получения коммутационных углеграфитовых материалов и изделий.

Стекло

Неорганическое стекло представляет затвердевший расплав измельченной смеси кислотных и основных оксидов. Аморфное стеклообразное состояние создается при переходе из расплавленного состояния в твердое некоторых стеклообразующих оксидов, когда повышение вязкости расплава препятствует его кристаллизации. Это приводит к неупорядоченному, неоднородному пространственному расположению ионов, атомов или групп атомов, образующих неправильную структурную сетку.

Стеклообразующие оксиды SiO₂, B₂O₃, P₂O₅, GeO₂ являются основой сетчатой структуры. Модифицирующие оксиды Na₂O, K₂O, Li₂O, CaO, MgO, BaO обеспечивают внедрение в структурную сетку дополнительных ионов, изменяющих ее физико-химические свойства. Промежуточные оксиды Al₂O₃, PbO, Fe₂O₃, TiO₂, BeO способны частично замещать стеклообразующие оксиды в сетчатой структуре и придавать стеклу необходимые технические качества.

По химическому составу стеклообразующей оксидной смеси различают стекла силикатные, алюмосиликатные, боросиликатные, алюмоборосиликатные, алюмофосфатные и другие. По наличию модифицирующих оксидов выделяют стекла щелочные, бесщелочные, а также кварцевые. По назначению стекла разделяются на несколько основных видов: технические — оптические, светотехнические, электротехнические, химико-лабораторные, приборные, трубные; строительные — оконные, витринные, армированные, стеклоблоки; бытовые — посудные, стеклотара, зеркальные.

Технические стекла чаще всего являются алюмосиликатными, они содержат добавки различных оксидов и выпускаются в виде заготовок либо изделий. Технологические процессы формообразования изделий из стекла проводятся при температурах 1000…1100⁰С, что превышает температуру размягчения 600…800⁰С для придания стеклу наиболее пластичного и высоковязкого состояния.

О п т и ч е с к и е качества стекол являются их важнейшей характеристикой и оцениваются по светопрозрачности, поглощению, отражению, рассеиванию и преломлению света. Неокрашенное листовое алюмосиликатное стекло пропускает до 90%, поглощает примерно 1% и отражает около 8% видимых и частично инфракрасных лучей, ультрафиолетовое излучение поглощается почти полностью. Стекло с повышенным содержанием PbO поглощает рентгеновское излучение, кварцевое стекло является прозрачным для ультрафиолетовых лучей.

Э л е к т р о п р о в о д н о с т ь стекла резко повышается с ростом температуры и содержания ионов Li, Na, K, Pb, Cs.

Х и м и ч е с к и е свойства стекол определяются содержащимися в них компонентами, а также составом, температурой и давлением окружающей среды. Повышению коррозионной стойкости способствует увеличение содержания оксидов SiO₂, ZrO₂, TiO₂, Al₂O₃, B₂O₅, CaO, ZnO, MgO и уменьшение доли оксидов Li₂O, Na₂O, K₂O, BaO, PbO. С ростом температуры и давления, воздействующих на стекло, его коррозионная стойкость снижается. Растворение стекла происходит при действии кислот HF, H₃PO₄ и растворов некоторых щелочей.

Т е р м о с т о й к о с т ь стекла характеризуется наибольшей температурой, которую стекло выдерживает без разрушения при его последующем резком охлаждении в воде с температурой 0⁰С. Для большинства видов стекол термостойкость не превышает 170⁰С и только у кварцевого стекла она достигает 1000⁰С.

М е х а н и ч е с к и е свойства стекла отличаются высокой твердостью, малыми значениями предела прочности при растяжении (s_В = 30…90МПа), при изгибе (s_и= 50…150 МПа), невысокой ударной вязкостью (а = 1,6…2,5 кДж/м²), увеличенным пределом прочности при сжатии (s_сж=500…2000МПа). Повышенные механические свойства характерны для кварцевых и бесщелочных стекол, наличие в стеклах PbO, K₂O, Na₂O снижает их механические свойства.

Увеличение показателей механических свойств и термостойкости стекла достигается путем его закалки и термомеханического упрочнения. При закалке стекло нагревается до температуры выше температуры стеклования, равной 450….600⁰С, с последующим ускоренным равномерным охлаждением в потоке воздуха или в масле. В результате образуются распределенные структурные напряжения, и прочность стекла возрастает в 4…6 раз, ударная вязкость – в 5…7 раз, увеличивается также теплоустойчивость. Термохимическая обработка представляет закалку стекла в нагретых кремнийорганических жидкостях или расплавах солей Li, Ca, чем создаются тонкие поверхностные, дополнительно упрочняющие слои. При химическом травлении закаленного стекла кислотой HF устраняются его поверхностные дефекты, за счет чего повышаются прочность и теплостойкость.

Триплексы состоят из двух листов закаленного стекла, склеенных с помощью прозрачной полимерной пленки. Этим предотвращается разлетание осколков при разрушении триплекса. Термопан отличается наличием воздушного зазора между двумя стеклами, который создает повышенные теплоизоляционные свойства.

Применяются технические стекла в оптическом и электронном приборостроении, на транспортных средствах, в химическом и термическом оборудовании, для лабораторно-исследовательской аппаратуры.