ГЛАВА XXXI. НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

К неорганическим полимерным материалам относятся минеральное стекло, ситаллы, керамика и др. Этим материалам присущи негорючесть, высокая стойкость к нагреву, химическая стойкость, неподверженность старению, большая твердость, хорошая сопротивляемость сжимающим нагрузкам. Однако они обладают повышенной хрупкостью, плохо переносят резкую смену температур, слабо сопротивляются растягивающим и изгибающим усилиями имеют большую плотность по сравнению с органическими полимерными материалами.

Основой неорганических материалов являются главным образом оксиды и бескислородные соединения металлов. Поскольку большинство неорганических материалов содержит различные соединения кремния с другими элементами, эти материалы объединяют общим названием силикатные. В настоящее время применяют не только соединения кремния, но и чистые оксиды алюминия,

магния, циркония и другие, обладающие более ценными техническими свойствами, чем обычные силикатные материалы.

В группу неорганических полимеров входит также графит. Неметаллические материалы подразделяют на графит, неорганическое стекло, етеклокристаллические материалы — ситаллы и керамику.

1. ГРАФИТ

Графит является одной из аллотропических разновидностей углерода. Это полимерный материал кристаллического пластинчатого строения. Он образован параллельными слоями гексагональных сеток (плоскостей) (рис. 234). В узлах каждой ячейки располагаются атомы углерода. Межатомное расстояние равно 0,143 нм. Между атомами действуют силы прочной ковалентной связи. Отдельные плоскости расположены на расстоянии 0,335 нм и связаны между собой ван-дер-ваальсовыми силами. Слоистая структура графита и слабая связь между соседними плоскостями обусловливают анизотропию всех свойств кристаллов графита во взаимно перпендикулярных Направлениях. Между отдельными пластинками в решетке графита имеются свободные электроны, сообщающие графиту электро- и теплопроводность, металлический блеск.

Графит не плавится при атмосферном давлении, а при 3700 °С сублимирует (испаряется), минуя стадию плавления, с затратой значительной тепловой энергии на этот процесс (жидкое состояние углерода может быть достигнуто лишь при 4000 °С и давлении выше 10 МПа).

Графит встречается в природе, а также получается искусственным путем. Качества природного графита невысоки, он содержит много примесей, порист, свойства почти изотропны. Поэтому его применяют лишь как антифрикционный материал и в электротехнике.

Искусственные виды графита: технический и пиролитический (пирографит). Эти виды графита обладают совершенной кристаллической структурой, высокой анизотропией свойств и являются высокотемпературными конструкционными материалами.

В качестве исходных материалов при производстве технического графита применяют твердое сырье — нефтяной кокс и каменноугольный

Рис. 234. Кристаллическая решетка графита: А и С — кристаллографические оси

Таблица 53 (см. скан) Физико-механические свойства искусственного графита

пек в качестве связующего вещества. Заготовки формуются в процессе прессования или протяжки (выдавливания). Процесс графитизации осуществляется путем нагрева заготовок (обожженных при до Технический графит имеет степень анизотропии физико-механических свойств

Пиролитический графит получается из газообразного сырья. Он представляет собой продукт пиролиза углеводородов (метана), который осаждается на нагретых до 1000-2500 °С поверхностях формы из технического графита или керамики. Полученный пирографит можно отделить от подложки и получить деталь или наносить его в виде покрытия на различные материалы с целью защиты их от действия высоких температур. Пирографит характеризуется степенью анизотропии, равной 100 (и более)

Для повышения качества технического графита применяется рекристаллизация при обжатии под давлением до и температуре свыше этим повышаются плотность и прочность графита. Обработка парами кремния дает силицированный графит, который можно использовать при высоких температурах и эрозии.

Физико-механические свойства искусственного графита. Свойства графита зависят от природы исходного сырья, технологии получения, плотности, степени ориентации кристаллов и др.

Графит легко расщепляется по плоскости спайности. Твердость его небольшая. Плотность пористого графита составляет 200—1200 кг/м3, конструкционного — , пирографита

Рис. 235. Зависимость предела прочности искусственных видов графита при растяжении в продольном направлении от температуры: 1 — пироррафит; 2 — технический графит

(Теоретическая плотность графита Пористость может составлять и более.

Промышленностью выпускаются следующие марки графита: на основе нефтяного кокса, и пирографит. Свойства этих графитов приведены в табл. 53.

Графит является очень хрупким материалом. Его прочность при сжатии выше, чем при изгибе и растяжении. Для графита характерно увеличение прочности и модуля упругости при нагреве. До температуры 2200— 2400 °С прочность технического графита повышается на и лишь при дальнейшем нагреве прочность теряется (рис. 235). При температуре выше проявляется ползучесть, которая имеет небольшую скорость при 2300—2900°С и напряжении . Удельная прочность графита сохраняется высокой при нагреве для пирографита км). Графит хорошо проводит теплоту. В плоскости зерен пирографит имеет коэффициент теплопроводности , а в перпендикулярном направлении . Поэтому его можно использовать и как проводник теплоты, и как теплоизолятор. Коэффициент линейного расширения а низкий и с повышением температуры растет незначительно. Графит устойчив к воздействию тепловых ударов. Сочетание особых свойств графита делает его перспективным материалом высокой жаропрочности и теплозащитным материалом, работающим по принципу абляции.

В условиях применения графита при высоких температурах, когда теплоотдача излучением является решающим фактором теплообмена, большое значение имеет степень черноты поверхности материала. Степень черноты графитовых материалов составляет она возрастает при нагреве и шероховатости поверхности.

Графит обладает хорошими антифрикционными свойствами поэтому он применяется в качестве антифрикционных материалов, основным преимуществом которых является способность работать без смазывания в условиях высоких или низких температур, больших скоростей, агрессивных сред и т. п.

Недостатком графита является склонность его к окислению, начиная с температур с выделением газообразных продуктов. Поэтому поверхность графита защищают введением легирующих добавок которые делают структуру графита мелкозернистой, повышают его твердость и прочность, или нанесением защитных покрытий. Применяют силицирование

графита путем обработки его поверхности парами кремнезема (при этом на поверхности графита образуется карбид кремния, обладающий высокой твердостью и прочностью) или нанесением покрытия из керамики (чаще всего наносится

Графит применяют в высоконагреваемых конструкциях летательных аппаратов и их двигателей, в энергетических ядерных реакторах (графит обладает малым сечением захвата нейтронов и способностью замедлять их скорость), в качестве антифрикционного материала и в виде углеграфитовых волокнистых изделий.