Керамические изоляционные материалы

Реально керамика - первый искусственный (синтетический) материал, полученный человеком. Наиболее древний образец керамического черепка, обнаруженный в русле реки Нил изготовлен не менее 12 000 лет до н. э.

Пластифицированная водой глина, приобретя пластичность, прежде всего, стала основой для развития начал первой технологии производства главного материала древности - керамики, а также породила термины: «пластмассы», «технология», «химия» и т. д. и т. п. В последние годы керамику часто называют третьим по значимости материалом после металлов и пластмасс (а некоторые ученые прямо утверждают, что керамика является материалом будущего).

Исторически под керамикой понимали материал и изделия из него, получаемые спеканием глин и их смесей с минеральными добавками. Само слово «керамика» пришло к нам из греческого языка («керамос» - обожженная глина, «керамике» - гончарное искусство). Само представление «керамика» в последнее время трансформировалось.

Сегодня это более широкое понятие и к керамике относят любые поликристаллические материалы, получаемые спеканием порошкообразных веществ природного или искусственного происхождения.

Процесс производства керамических изделий состоит из следующих основных этапов: приготовление керамической массы, формование изделий, сушка, обжиг.

Первая ступень заключается в сортировке и очистке исходных материалов от крупных посторонних включений, помола и смешивания их по заданной рецептуре. Помол осуществляется в шаровых мельницах с добавлением воды. Вначале размалывают непластичные компоненты, а затем загружают пластичные материалы. Смесь материалов, полученных в шаровых мельницах, называется шликером.

Формование деталей проводят прессованием, штамповкой, горячим литьем и обработкой резанием. Полученные формы сушат на воздухе при комнатной температуре, а также в термошкафах при 60 - 70 °С. Перед обжигом заготовки дополнительно нагревают до 70 - 80 °С и погружают в ванну с расплавленным парафином (80 - 100 °С) на 1 - 6 ч. По окончании процесса пропитки формы на некоторое время оставляют на противене в наклонном состоянии для стекания излишков парафина.

Последняя операция - обжиг осуществляется в печах непрерывного и периодического действия в две стадии. На первом этапе при 800 - 1000 °С происходит выгорание органических веществ, имеющихся в керамической массе. Вторая ступень заключается в спекании керамической массы при 1000 - 1700 °С, при этом устанавливаются окончательные размеры детали и она приобретает необходимую механическую прочность. Свойства полученных керамических изделий определяются в значительной степени режимами процесса и содержанием примесей в исходном сырье. Поэтому условия обжига выбираются так, чтобы не создавалось неустойчивых соединений в составе материала, и не происходил распад твердых растворов. Примесями могут быть оксиды посторонних металлов и влага. Последняя ухудшает электрические характеристики изделия. В некоторых случаях обожженные детали могут подвергаться дополнительной механической обработке и металлизации.

Любой керамический материал является многофазной системой. В керамике могут присутствовать кристаллическая, стекловидная (аморфная) и газовая структурные составляющие.

Кристаллическая фаза представляет собой определенные химические соединения или твердые растворы. Она является основой керамики и определяет механическую прочность, термостойкость и другие ключевые свойства материала.

Стекловидная составляющая находится в виде прослоек стекла, связывающих кристаллическую фазу. Обычно в керамическом веществе ее содержится от 1 до 10 %, она снижает механическую прочность и ухудшает тепловые показатели материала. Однако стеклообразующие компоненты (глинистые вещества) облегчают технологию изготовления изделий.

Газовыми включениями являются газы, находящиеся в порах керамики; по ним керамические материалы подразделяют на плотные, без открытых пор и пористые. Наличие даже закрытых пор нежелательно, так как снижается механическая прочность материала.

Большинство видов специальной технической керамики обладает плотной спекшейся структурой поликристаллического строения.

Керамика очень многообразна, не разрушается в более широком, интервале температур по сравнению с другими материалами. Ее упругость сравнительно ограничена, зато коэффициент термического расширения керамики изменяется в чрезвычайно широких пределах.

В мире современных материалов керамике принадлежит заметная роль, обусловленная широким диапазоном ее разнообразных физических и химических свойств. Керамика не окисляется и устойчива в более высокотемпературной области, чем металлы, полимеры и пластмассы на их основе: например, температура плавления карбида гафния (3930 °С) на 250 °С выше, чем у вольфрама. Термическая устойчивость распространенных керамических материалов (оксидов алюминия, магния, тория) намного превышает стабильность большинства сталей и сплавов. Модуль упругости керамических волокон и усов на порядок выше, чем у металлов.

С точки зрения электропроводности керамика в существенной мере превосходит многие другие материалы и имеет исключительно широкий диапазон применения - от классических диэлектриков до сверхпроводников.

Керамические материалы по сравнению с металлами и пластмассами обладают большей устойчивостью к износу, различным видам коррозии и радиационным воздействиям. Низкая теоретическая плотность (от 3,5 - у карбида кремния до 6,0 - у стабилизированного диоксида циркония) обеспечивает ей высокие удельные прочностные характеристики.

К несомненным достоинствам керамики относятся доступность и практическая неисчерпаемость исходного сырья для производства ее наиболее перспективных промышленных видов. Повышенный интерес к этим материалам вызван потенциально низкой стоимостью приготовленных из них изделий.

Современные виды керамики по характеру их применения делят на две группы: конструкционную и функциональную. При этом под конструкционной понимают керамику, используемую для создания механически стойких конструкций, а под функциональной - керамику со специфическими электрическими, магнитными, оптическими и термическими функциями.

С химической точки зрения керамику подразделяют на кислородную и бескислородную. Первую группу керамических материалов составляют изделия на основе оксидов и силикатов. К бескислородной керамике относятся материалы, полученные на основе карбидов, нитридов, боридов, сульфидов и т. д. На стыке выделенных классов керамических материалов может быть создана целая гамма гибридных субстанций (ситаллы, сиалоны и т. д.).

Химические элементы, составляющие основу керамических материалов, образуют в Периодической системе Д. И. Менделеева компактную группу, включающую 12 элементов. Действительно, важнейшими компонентами современной керамики являются оксиды алюминия Al₂O₃, циркония ZrO₂, кремния SiO₂, бериллия BeO, титана TiO₂, магния MgO, силикаты магния и алюминия, нитриды кремния, бора, алюминия, карбиды кремния и бора, бориды, фториды и сульфиды этих элементов.

Огнеупорные материалы.Огнеупорность - способность материала сохранять свои механические и физические свойства при длительном воздействии высоких температур более 1580 °С.

Огнеупорные материалы используются в качестве защиты металлических конструкций в процессе эксплуатации от воздействия различных агрессивных сред (высокая температура, влага, газы и др.) при их прямом соприкосновении и теплового излучения. Они представляют собой обмуровочные или обкладочные субстанции.

По способности выдерживать определенные пределы рабочих температур различают три категории изделий: огнеупорные (от 1580 до 1770 °С); высокоогнеупорные (от 1770 до 2000 °С) и наибольшей огнеупорности (свыше 2000 °С).

По своему составу их классифицируют на кремнеземистые (динасовые и кварцевые), алюмосиликатные (полукислые, шамотные и высокоглиноземистые), магнезильные (магнезитовые, доломитовые и шпинельные), хромистые (хромитовые и хромомагнезитовые), карборундовые и др.

В оборудовании теплоэлектростанций наибольшее применение из приведенных материалов находят шамотные, хромитовые, хромомагнезитовые и карборундовые.

Шамотные огнеупорные материалы состоят из диоксида кремния – кремнезема SiO₂ (от 90 до 0 %) и оксида алюминия Al₂O₃ (от 10 до 100 %). Основными их компонентами являются глинозем (Al₂O₃) и каолин (Аl₂O₃∙2SiО₂∙2Н₂О или Н₄Al₂Si₂О₉).

В зависимости от огнеупорности все шамотные изделия маркируются следующим образом: IIIА (не ниже 1730 °С), IIIБ (1630 °С) и IIIВ (1580 °С). Заглавная буква Ш обозначает тип изделия, а буквы А, Б и В - классы огнеупорности.

Для обмуровки паровых котлов и агрегатов электростанций в основном применяются изделия марок ШБ и ШВ в виде нормального (прямого) и клинового кирпичей.

Топки котлов для сжигания газа и торфа обкладывают шамотными полукислыми изделиями. Они состоят из смеси каолина (белая глина) и кварца или обычной глины (каолин с примесью соединений железа) и кварца (SiO₂) при содержании последнего не менее 65 %. Данные материалы имеют высокую механическую прочность и постоянство объема при 1300 -1400 °С.

При обмуровке газоходов котлов могут применяться легковесные шамотные изделия, имеющие предельную рабочую температуру 1150 – 1450 °С. Они выпускаются в виде прямого, клинового и фасонного кирпича.

Для укладки данных изделий применяют шамотные растворы, состоящие из молотого шамота и огнеупорной глины. Такой раствор носит название мертель. Они выпускаются различных марок в зависимости от химического и зернового состава.

Многие элементы обмуровки выполняются из жароупорных бетонов (шамотобетоны на портланд-цементе, на глиноземистом цементе, на шлакопортланд-цементе, на жидком стекле). Бетон это искусственный камень, получающийся при затвердевании смеси цемента, воды и заполнителей (песок и гравий). По химическому составу они относятся к смесям силикатов кальция и алюминия.

Для защиты от пламени горячих газов и разъедания жидкими шлаками барабаны, коллекторы, подвесные своды, балки водяного экономайзера покрываются огнеупорной плотной массой – торкретом (шамотная крошка со связующим веществом).

Для уменьшения газопроницаемости обмуровочной конструкции применяются обмазки и штукатурки. Обмазка приготавливается из распушенного асбеста и каустического магнезита (MgCO₃) с добавкой цемента и жидкого стекла. Толщина обмазки 5 – 7 мм. Штукатурки из песчано-известково-цементных растворов наносят на поверхность облицовочного слоя. Толщина их не более 20 мм.

Теплоизоляционные материалы.Тепловая изоляция - конструкция, наносимая на поверхность защищаемого объекта из материалов, которые плохо проводят тепло. Ее применяют в энергетике, строительстве и других отраслях промышленности. Она значительно снимает потери тепла или холода, обеспечивает экономию топлива и энергии, обуславливает устойчивый режим работы технологического оборудования, создает безопасные условия труда, дает возможность транспортировать пар, горячую воду, газ, различные производственные продукты на большие расстояния без существенного изменения их начальной температуры. Без тепловой изоляции невозможно создать нормальные санитарно-гигиенические условия труда в помещении с большим выделением теплоты и предохранить рабочих от ожогов.

Для эффективного выполнения своих функций теплоизоляционные материалы должны удовлетворять следующим требованиям: иметь низкую теплопроводность; не разрушаться под действием атмосферных явлений и температуры изолируемого объекта; иметь значительный срок службы, не вызывать коррозии и разрушения поверхности защищаемого предмета, не препятствовать его температурным деформациям, быть легкими и достаточно прочными.

Теплоизоляционная конструкция состоит из следующих элементов: основного теплоизолирующего слоя, обеспечивающего нормальную работу изолируемых поверхностей в соответствии с теплотехническими требованиями; защитного покрытия, предохраняющего основной теплоизоляцией слой от различных воздействий; пароизоляционной оболочки, которая защищает основной слой от увлажнения вследствие проникновения паров воды из окружающей среды и крепежных деталей, применяемых для крепления теплоизоляционной конструкции к оборудованию или трубопроводам, а также для повышения прочности конструкции в целом (рис. 3.6). Данные элементы могут одновременно находиться в теплоизоляционной конструкции или поставляться раздельно. В зависимости от способа монтажа они соединяются вместе при изготовлении или монтируются каждый индивидуально. В соответствии с этим они подразделяются на полносборные и комплектные. Такие конструкции обеспечивают высокую степень индустриализации теплоизоляционных работ.

Рис. 3.6 - Полносборная теплоизоляционная конструкция: 1 - теплоизоляционный слой; 2 - шплинт проволочный; 3 - скобы бандажные; 4 - покрывной слой (листовой металл)

Изоляционно-монтажные материалы классифицируются по следующим признакам: форме и внешнему виду, структуре, виду исходного сырья, плотности, жесткости, теплопроводности и горючести.

В свою очередь каждый класс подразделяется на несколько групп.

Так первый составляют штучные (плиты, блоки, кирпичи, цилиндры, полуцилиндры, сегменты), рулонные и шнуровые (маты, шнуры, жгуты), рыхлые и сыпучие (вата, перлитовый песок и др.) изделия. Во вторую входят волокнистые (минераловатные, стекловолокнистые), зернистые (перлитовые, вермикулитовые) и ячеистые, (ячеистые бетоны, пеностекло, пенопласт, совелит) субстанции. Третья состоит из материалов двух видов: неорганических и органических. Четвертая включает изделия особо низкой плотности (минеральная вата), низкой плотности (стекловата), средней плотности (совелит, вулканит) и плотные (диатомит и ячеистый бетон). При классификации деталей по жесткости учитывают силу прилагаемой удельной нагрузки и процент сжатия: при 0,002 МПа это мягкие - более 30 % (минеральная и стеклянная вата), полужесткие – 6 – 30 % (минераловатные плиты), жесткие - до 6 % (минераловатные плиты со связующим), повышенной жесткости - (минераловатные плиты на синтетических связующих) при 0,04 МПа и твердые до 10 % при 0,1 МПа. По шестому признаку материалы делятся на три класса: А – низкой, Б - средней и В - повышенной теплопроводности, значения которой не превышают до 0,06 Вт/(м∙К); до 0,115 Вт/(м∙К) и до 0,175 Вт/(м∙К) соответственно.

Огнестойкость (горючесть) – способность изделий и деталей выдерживать действие огня. По ней материалы делятся на несгораемые, которые не могут гореть на воздухе, трудносгораемые, способные воспламеняться от источника горения, но после его удаления сразу же затухают и сгораемые, которые как и предыдущие загораются от носителя огня, но продолжают гореть уже без него.

Теперь дадим характеристику некоторым представителям этих материалов.

Минеральная вата (шлаковата - ГОСТ 4640-84) - рыхлый материал, состоящий из тончайших взаимно переплетающихся минеральных волокон. Получают ее из расплава силикатных горных пород и металлургических шлаков. Минеральная вата огнестойка, малогигроскопична, имеет низкую теплопроводность. Из нее изготавливают войлок, шнуры, скорлупы, цилиндры и другие изделия.

Маты прошивные представляют собой гибкие изделия из минеральной ваты с обкладкой из пергалина, металлической сетки, гофрированной бумаги и стеклосетки. В них требуется защитно-покровный слой в виде асбоцементной штукатурки по металлической сетке или pyлонных материалов. Допустимая рабочая температура 150 – 600 °C. Для защитной оболочки сборных конструкций применяют тонколистовой металл 0,3 – 1,0 мм (алюминий, кровельное железо), которые крепят с помощью бандажей и винтов.

Диатомит и трепел это пористые осадочные горные породы (до 85 %), состоящие из аморфного кремнезема: в диатомите его концентрация достигает 95 %. Тяжелые разновидности пород носят название трепелов, они содержат больше различных примесей. Данные вещества выдерживают температуру до 900 °С. Выпускается они в виде кирпичей, блоков и обожженной крошки. Диатомит и трепел применяются также для изготовления огнестойких штукатурок и жаростойких бетонов.

Прокладочные и уплотнительные материалы.При сооружении различных промышленных конструкций их компоненты соединяют друг с другом с помощью разнообразных подвижных узлов и переходников. Между ними для создания необходимой герметичности оборудования используют всевозможные уплотнительные и прокладочные материалы, которые должны быть эластичными и достаточно прочными. Также они должны обладать хорошей коррозионной стойкостью и иметь высокий предел рабочих температур.

Такими материалами представляются паронит, резина, мастичные жгуты, фибра, картон, асбест, графит и др. Наиболее распространенным из них является паронит.

Набивки сальниковые применяют для уплотнения сальников арматуры, машин и аппаратов. Их изготавливают плетением круглого и квадратного сечения диаметром или стороной 4 – 50 мм. Набивки пропитанные антифрикционным составом (масло, графит) используют для смазывания вращающихся узлов и штоков, проходящих через сальник.

Гидроизоляционные материалы.В процессе эксплуатации части зданий, различные конструкционные элементы и трубопроводы подвергаются вредному воздействию влаги и химических агрессивных жидкостей, которые вызывают коррозию их металлических элементов. В связи с этим им необходима защита. Данную функцию выполняют гидроизоляционные материалы. Они наносятся на поверхность защищаемого изделия в виде специального покрытия. Они бывают в основном многослойными.

Многослойное изоляционное покрытие может состоять из нескольких оболочек одного или из пластов различных материалов. Тип и общая толщина изоляционного покрытия зависят от коррозионных свойств грунта, назначения трубопровода и других условий эксплуатации.

Изоляционное покрытие должно быть долговечным, плотным, прочным, тепло-, морозо- и водостойким и иметь высокое электросопротивление.

В качестве гидроизоляционных материалов применяются различные мастики, рубероид, а также разнообразные изолы.

Для приготовления мастичных гидроизоляционных материалов широко применяются органические (битумные или дегтевые) вяжущие вещества.

Битумные вяжущие - сложные смеси высокомолекулярных углеводородов и их соединений с серой, кислородом и азотом. Эти вещества растворяются в сероуглероде, хлороформе, бензоле и других органических растворителях. Битумы подразделяются на природные и нефтяные.

Природные битумы - твердые вещества или густые жидкости, встречающиеся в природе в чистом виде или пропитывающие горные породы.

Нефтяные битумы – синтетические твердые или полутвердые вещества. Они получаются путем окисления остаточных продуктов перегонки нефти.

Нефтяные битумы (ГОСТ 6617-75) в зависимости от температуры размягчения подразделяются на три марки: БH-70/30, БН-90/10, БН-50/50.

Кровельные нефтяные битумы (ГОСТ 9548-74) изготовляют трех типов БHK-45/180 - пропиточный, БНК-90/40 и БНК-90/30 - покровные.

К дегтевым вяжущим относятся каменноугольный деготь, масла и пеки. Каменноугольные дегти - жидкие продукты сухой перегонки (при высокой температуре без доступа воздуха) каменного угля, древесины и торфа. Антрацитовое масло - получают при отгонке сырого каменноугольного дегтя. Каменноугольный пек - твердый остаток от перегонки дегтя.

Мастики - это искусственные смеси нефтяного битума или дегтя с минеральными наполнителями и добавками. В зависимости от исходного связующего мастики разделяют на битумные, битумно-резиновые и битумно-полимерные. По способу приготовления и применения мастики бывают горячие (расплавленные) и холодные (без предварительного разогрева).

Битумные мастики приготовляют из кровельного нефтяного битума с добавкой наполнителей (молотый известняк, асбестовая пыль, трепел, диатомит и др.). Наполнители уменьшают расход битума, повышают теплостойкость и снижают хрупкость мастик при пониженных температурах.

Битумно-резиновая мастика состоит из нефтяного битума, наполнителя и пластификатора. Наполнителем служит резиновая крошка, получаемая из старых автомобильных покрышек. Роль пластификатора выполняет масло. Марки мастики: МБР-65, МБР-75, МБР-90, МБР-100. По сравнению с битумной мастикой они обладают повышенной эластичностью, гибкостью и морозостойкостью. Используется для антикоррозионных покрытий трубопроводов.

Битумно-бутилкаучуковая (горячая мастика) - содержит нефтяной битум, бутилкаучук, наполнитель и антисептик. Марки МББГ-70 используется для кровли и гидроизоляции, его термостойкость составляет -70 °С, МББГ-80 - для защиты стыков панелей. Перед употреблением последнюю разогревают до температуры 120 – 150 °С. Термостойкость – 80 °С. Мастика имеет хорошую гибкость и низкое водопоглощение.

Холодные битумные мастики производят из смеси нефтяного битума, органического растворителя (соляровое масло, керосин), наполнителя, пластификатора и антисептика. Мастика марки МБХ-1 хорошо склеивает рулонные материалы между собой и приклеивает их к огрунтованному основанию.

Битумно-полимерные мастики получают совместным окислением гудрона и битума с полимерами (пропилена, каучука и др.) Для гидроизоляции применяют битумно-латексно-кукерсольные мастики БПК. Они обладают повышенной пластичностью и ударной прочностью при отрицательных температурах по сравнению с битумно-резиновой мастикой.

Рубероид – материал, изготовляемый пропиткой картона мягким нефтяным битумом с наполнителем и посыпкой. Посыпки бывают мелкозернистые, слоистые и пылевидные. Марки: РКК, РКЧ, РКП - соответственно с крупной, чешуйчатой и пылевидной посыпками. Он поставляется в рулонах. Рубероидом изолируют трубопроводы, прокладываемые в непроходных каналах, туннелях и на открытом воздухе. Наплавляемый рубероид имеет утол­щенный слой битума, который при нагревании поверхности расплавляется и рубероид приклеивается без нанесения мастики. Это повышает производительность труда и улучшает условия работы.

Изол – материал, который получается из битумно-резинового вяжущего наполнителя, пластификатора и антисептика. Он долговечен, сохраняет эластичность при отрицательных температурах. Его применяют в конструкциях, где возникают усадки и деформации.

Гидроизол изготавливается путем пропитки асбестовой бумаги нефтяными битумами. Гидроизол марки ГИ-Г применяют для гидроизоляции подземных сооружений, антикоррозионной защиты трубопроводов (кроме теплопроводов) при температуре от +50 °С до –15 °С. Гидроизол и изол наклеивают на битумно-резиновых мастиках. Полотнища изола можно соединять, сваривая кромки и разравнивая швы нагретой гладилкой.

Бризол производится из дробленой резины, нефтяного битума, асбестового наполнителя и пластификатора. Марка Бр-П имеет повышенную прочность и применяется от 45 °С до –15 °С для гидроизоляции подземных металлических трубопроводов. Данные материалы приклеивают битумно-резиновыми мастиками. Их полотна сваривают аналогично изолу.

Стеклоизол получают путем нанесения с двух сторон на поверхности стекловолокнистой ткани резинобитумной массы и последующего покрытия посыпкой. Он применяется для гидроизоляции ответственных конструкций (мосты, метро и др.).

Фольгоизол - двухслойный рулонный материал из тонкой рифленой алюминиевой фольги толщиной 0,1 - 0,2 мм, покрытый слоем, состоящим из битума, резины или каучука с минеральным наполнителем и антисептиком, толщиной до 2 мм. Фольгоизол марки ФГ предназначается для защитного покрытия тепловой изоляции трубопроводов диаметром (с изоляцией) 500 мм и более, прокладываемых на открытом воздухе и в туннеляхпри температурах от 70 °С до –40 °C.

Металлопласт - холоднокатанная сталь 08пс толщиной 0,5 - 1,0 мм, покрытая с одной или двух сторон полихлорвинилхлоридной пленкой толщиной 0,3 мм. Маркируется МП-1 (лучше) и МП-2, применяется в качестве защитного покрытия тепловой изоляции прямолинейных участков трубопроводов и оборудования при температуре от 70 °С до –40 °C при отсутствии прямого воздействия солнечных лучей.