Фасад.РУ >> Теплофізичні властивості технічної кераміки

До теплофізичних властивостях кераміки відносяться її теплоємність, теплопровідність, теплове розширення, радіаційний. Теплоємність керамічного матеріалу кристалічної структури підпорядковується закону Дюлонга-Пті , За яким вона приблизно дорівнює 24,7 Дж / (г-атом * К). Теплоємність досить сильно змінюється при низьких температурах і незначно при високих, особливо після 1000 ° С. Теплоємність є властивість самого речовини, вона не залежить від структурних особливостей конкретного виробу, його пористості і щільності, розмірів кристалів та інших факторів, тому теплоємність одиниці структурно різних, але однойменних за складом матеріалів однакова.

Теплопровідність характеризує швидкість перенесення теплоти керамічним матеріалом. Вона дуже різна і залежить від складу кристалічної і склоподібної фаз, а також від пористості. Теплопровідність матеріалу прийнято характеризувати рівнянням теплового потоку:

де Q - кількість теплоти, Вт; δ - товщина стінки, см; F - площа проходження теплового потоку, см2, τ - час; t- температура, ° С, відповідно на гарячої та холодної поверхнях.

Теорія теплопровідності заснована на уявленні про перенесення теплоти в твердих неметалевих тілах тепловими пружними хвилями-фононами. Теплопровідність речовини залежить від довжини вільного пробігу фононів і ступеня порушення гармонійності коливань теплових хвиль під час їх проходження через дану речовину. У зв'язку з цим ступінь теплопровідності визначають структура речовини, число і вид атомів і іонів, які розсіюють хвильові коливання. Кристали з більш складною будовою решітки, як правило, мають більш низьку теплопровідність, так як ступінь розсіювання теплових пружних хвиль в такий решітці більше, ніж в простій. Зниження теплопровідності спостерігається також при утворенні твердих розчинів, так як при цьому виникають додаткові центри розсіювання теплових пружних хвиль. У стеклах, що характеризуються разупорядоченності будовою, довжина пробігу фононів не перевищує міжатомних відстаней, і теплопровідність скла відповідно менше, ніж теплопровідність керамічного матеріалу, що містить, як правило, значна кількість кристалічних фаз.

Особливо важливо враховувати при застосуванні кераміки зміна теплопровідності під час її нагрівання. Загальна закономірність тут така: теплопровідність спеченной кераміки кристалічної будови, особливо оксидной, з підвищенням температури, як правило, сильно падає. Виняток становить діоксид цирконію, теплопровідність якого з підвищенням температури зростає. Теплопровідність скла, а також кераміки, що містить значну кількість скла, наприклад Муллітокремнеземні, з підвищенням температури збільшується. На малюнку показано зміна теплопровідності деяких видів кераміки в залежності від температури.

Теплопровідність деяких видів кераміки

1 - ВеО плотноспекшійся;
2 - SiC;
3 - MgO плотноспекшійся;
4 - А12О3 корунд;
5 - ZrO2 стабілізований плотноспекшійся

Теплопровідність пористої теплоізоляційної кераміки, виготовленої з чистих оксидів, - основна властивість, по якому визначають область її застосування. Теплопровідність тісно пов'язана з пористістю.

Термічне розширення кераміки - наслідок збільшення амплітуди коливань її атомів або іонів щодо їх середнього положення, що відбуваються під впливом температури. Тому температурний коефіцієнт лінійного розширення ТКЛР кераміки (далі вживається «коефіцієнт лінійного розширення») непостійний при будь-якій температурі. Для переважної більшості керамічних матеріалів він підвищується з температурою.

Лінійне розширення деяких видів технічної кераміки (ZrO2 в залежності від ступеня його стабілізації)

Розрізняють істинний коефіцієнт лінійного розширення і середній, т. Е. Віднесений до певного інтервалу температур:

У деяких випадках для наочності коефіцієнт лінійного розширення зручно виразити в процентах (%):

Зазвичай вимірюється не об'ємний, а лінійний коефіцієнт, практично становить 1/3 об'ємного. Це ставлення справедливо для ізотропних полікристалічних матеріалів, в тому числі і керамічних.

Термічне розширення більшості монокристалів, як відомо, анізотропно. У кристалах з кубічної гратами розширення відбувається рівномірно в усіх напрямках, як, наприклад, у MgO. Однак серед керамічних матеріалів є такі, у яких анізотропія термічного розширення виражена дуже сильно. Зокрема, у широко поширених корунду α -Al2O3 і муллита 3Al2O3 · 2SiO2 також спостерігається анізотропія. Асиметрія будови кристалічної решітки призводить до того, що коефіцієнт лінійного розширення в одному з напрямків може виявитися негативним, а об'ємне розширення полікристалічної кераміки дуже мало. Такими матеріалами є, наприклад, кордиерит (2MgO · 2Al2O3 · 5SiO2) і алюмосилікати літію.

Керамічні матеріали являють собою полікристалічні тіла. Тому вони через хаотичного розташування елементарних кристаликів стають практично ізотропним. Значення коефіцієнта лінійного розширення різних видів технічної кераміки коливається в дуже широкому діапазоні - від 0 до (13-14) 10-6 ° С. У таблиці наведено зазначені коефіцієнти деяких видів технічної кераміки в порядку їх зменшення.

Середні значення коефіцієнта лінійного розширення

Термічна стійкість - це здатність керамічного виробу витримувати без руйнування різкі зміни температури. Термічна стійкість характеризує певною мірою матеріал, але в більшій мірі виріб з даного матеріалу, так як на результати випробувань роблять дуже великий вплив розмір і форма вироби. Умови експлуатації керамічних виробів настільки різноманітні, що запропонувати єдиний критерій термічної стійкості не представляється можливим. Дійсно, температурні перепади і швидкість зміни температури цих виробів бувають абсолютно непорівнянні, і навряд чи може бути єдиний критерій оцінки їх термічної стійкості. Однак якісна сторона процесу зміни властивостей і руйнування вироби під впливом різких температурних змін в основному однакова для всіх керамічних матеріалів і майже у всіх випадках.

Руйнування керамічного виробу під впливом температурних змін відбувається в результаті напружень, що виникають в матеріалі цього виробу. Такі напруги можуть викликатися різними причинами і мати різний характер. Головні з цих причин: розходження температури в різних частинах нагрівається або охолоджується вироби, т. Е. Наявність температурного перепаду; різні значення TKJIP компонентів в багатофазовий кераміці; обмеження можливості розширення.

Вироби руйнуються в тому випадку, якщо виникають при термічному напрузі сили розтягування, стиснення або зсуву перевершують межі допустимої міцності матеріалу і міцність.

У загальному вигляді, якщо не враховувати розмірні і структурні особливості кераміки і умови її випробування, термічна стійкість кераміки може бути охарактеризована деякими коефіцієнтом термічної стійкості:

де λ - теплопровідність; σ - межа міцності при розриві; с - теплоємність; γ - щільність; α - TKJIP; Е - модуль пружності.

З цієї формули випливає, що термічна стійкість матеріалу зростає зі збільшенням його теплопровідності і механічної міцності і знижується зі збільшенням коефіцієнта лінійного розширення, модуля пружності і уявної щільності. Теплоємність певного матеріалу постійна. Однак ця формула, висловлюючи загальну закономірність - зміни термічної міцності виробів, не може дати порівнянних результатів, що визначають термічну стійкість керамічних виробів.

Термічна стійкість різних видів виробів технічної кераміки в даний час оцінюється за різними методиками. В їх основі лежать наступні критерії:

1) число теплозмін, при якому виріб руйнується повністю або частково при нагріванні до температури t зі швидкістю n, град / хв, і наступному повільному або різкому охолодженні на повітрі або в іншому середовищі. Ця методика визначення термічної стійкості досить поширена і стандартизована для випробування масових видів вогнетривів при нагріванні до 800 ° С і охолодженні у воді при 20 ° С. У різних зразках, що відрізняються за розміром і формою, температурою, середовищем і швидкістю нагріву і охолодження, цей метод знаходить широке застосування;

2) втрата механічної міцності спеціально підготовленого зразка (найчастіше балочки) після ряду послідовних нагревов і охолоджень до різних температур з різною швидкістю і в різному середовищі. Термічна міцність виражається як втрата механічної міцності у відсотках до первісної після певного числа теплозмін. Цей метод застосовують для відносної оцінки термічної стійкості матеріалу головним чином в наукових експериментах;

3) граничний температурний перепад, при якому виріб руйнується або частково втрачає необхідні технічні властивості (наприклад, вакуумну щільність, електричну міцність). Цей метод найбільш широко застосовують для визначення термічної стійкості електроізоляційних виробів, вакуумної кераміки.

На термічну стійкість кераміки сильно впливає її макро- і мікроструктура. Матеріал з зернистою структурою, як правило, більш термостійкий, ніж щільний. У щільних спеклися матеріалах помітна певна тенденція до поліпшення їх термостійкості при великій кристалізації основної фази (наприклад, в корунді).