Когда слышишь 'стойкость к термическому удару', первое, что приходит в голову — коэффициент линейного расширения и модуль Юнга. Но в реальности всё сложнее: я видел образцы, которые по всем расчётным параметрам должны были выдерживать перепады в 1500°C, а трескались при 800. Особенно в тех случаях, когда охлаждение шло неравномерно — скажем, с одной стороны водой, с другой воздухом. Вот это и есть та самая разница между теорией и практикой, о которой редко пишут в учебниках.
Если брать наши керамические изделия — допустим, тигли для выплавки сплавов — тут важно не столько абсолютное значение термостойкости, сколько её стабильность в циклических режимах. Помню, в 2022 году мы как раз тестировали партию циркониевых тиглей: после 30 циклов 'нагрев-охлаждение' микротрещины появлялись не в самых ожидаемых местах, а воздоу фланцев, где толщина материала менялась скачкообразно.
Кстати, распространённое заблуждение — считать, что высокая пористость всегда улучшает стойкость к термическому удару. Для обычных огнеупоров это может работать, но в случае с реакционно-связанным карбидом кремния всё наоборот: слишком высокая пористость ведёт к локальным перегревам. Мы на своём опыте в ООО Шаньдун Синькэсинь Новые Материалы Технологии убедились, что оптимальный диапазон пористости для таких материалов — 8-12%, а не 15-20%, как иногда рекомендуют.
И ещё момент: скорость нагрева. В лаборатории обычно дают плавный нагрев — 10°C/мин, а в реальной печи материал может за минуту попасть из комнатной температуры в 1000°C. Вот тут-то и проявляется важность нелинейных характеристик. Кстати, на сайте https://www.xinkexin.ru у нас есть отраслевые отчёты по этому вопросу — там как раз разбираются случаи с аварийными остановками печей.
Стандартные методы оценки термостойкости — скажем, ГОСТ 20907-75 — устарели катастрофически. Они не учитывают переходные процессы, когда один слой материала уже расширяется, а соседний ещё нет. В прошлом году мы пытались адаптировать немецкий метод 'водяного охлаждения раскалённого образца', но столкнулись с тем, что для тонкостенных изделий он даёт погрешность до 40%.
Особенно сложно с композитными материалами — например, когда в оксидную матрицу введены металлические волокна. При резком нагреве коэффициенты расширения разные, и вот это несоответствие может как улучшить, так и ухудшить стойкость к термическому удару. Мы в своей практике чаще всего наблюдали ухудшение — кроме одного случая с молибденовыми волокнами в глинозёмной матрице, но там себестоимость оказалась неподъёмной для серийного производства.
Кстати, о производстве — при литье керамических изделий важно учитывать не только состав шихты, но и ориентацию кристаллов после спекания. Анизотропия свойств — это то, что обычно упускают из виду. У нас была партия подложек для нагревателей, которые в одном направлении выдерживали перепад в 1200°C, а в перпендикулярном — всего 600°C.
В 2023 году мы поставили партию шамотных кирпичей для футеровки вращающейся печи — вроде бы всё по спецификации, но через месяц эксплуатации появились трещины в зоне перехода от цилиндрической части к конической. Пришлось разбираться: оказалось, проблема не в материале, а в конструкции охлаждающих рубашек — они создавали локальные перепады температур до 400°C на 10 см длины.
Если говорить о наших специализированных керамических изделиях — например, термопарах защитных чехлах — там другая история. Для них мы разработали градиентные структуры: снаружи материал с высокой теплопроводностью, внутри — с низкой. Это позволило поднять стойкость к термическому удару на 25-30% по сравнению с традиционными решениями. Подробности этой разработки можно найти в технической документации на https://www.xinkexin.ru в разделе 'Специальная керамика'.
Кстати, о неудачах: пробовали делать полностью прозрачную керамику для печных смотровых окон — по термостойкости вроде бы всё нормально, но после 5-6 циклов появлялись микротрещины на границах зёрен. Пришлось отказаться от этой затеи, хотя оптические свойства были прекрасные.
Скорость охлаждения после спекания — это отдельная тема. Раньше мы охлаждали по стандартному режиму — 100°C/час до 800°C, потом естественное охлаждение. Но для карбидкремниевых материалов такой режим оказался неоптимальным — возникали внутренние напряжения. Сейчас экспериментируем со ступенчатым охлаждением: сначала быстро до 1000°C, потом медленно до 600°C.
Состав связки — ещё один критический параметр. Фосфатные связки дают хорошую прочность, но плохую стойкость к термическому удару при циклических нагрузках. Силикатные лучше ведут себя при резких перепадах, но их прочность ниже. Мы в ООО Шаньдун Синькэсинь Новые Материалы Технологии последнее время склоняемся к комбинированным системам — особенно для изделий сложной формы.
Кстати, о форме: острые углы — это главный враг термостойкости. Всегда стараемся скруглить кромки, даже если заказчик требует 'остроугольный' дизайн. На собственном горьком опыте убедились: трещины всегда начинаются с углов.
Сейчас много говорят о керамике с запрограммированной пористостью — когда поры расположены не случайно, а в определённых зонах. Теоретически это должно улучшить стойкость к термическому удару, но на практике пока получается дорого и сложно в производстве. Мы пробовали методом порошковой 3D-печати — пока стабильность свойств оставляет желать лучшего.
Ещё одно интересное направление — материалы с фазовым переходом. Но тут есть нюанс: если фазовый переход сопровождается изменением объёма, термостойкость может катастрофически упасть. У нас был опыт с диоксидом циркония — стабилизированная форма показывает прекрасные результаты, но нестабилизированная совершенно непригодна для термоударных нагрузок.
Если смотреть на нашу основную деятельность — производство огнеупорных материалов — то главный вызов сейчас это не столько улучшение отдельных показателей, сколько предсказуемость поведения в реальных условиях. Часто заказчикам нужна не максимальная стойкость к термическому удару, а стабильные характеристики от партии к партии. И вот это как раз сложнее всего обеспечить, особенно при использовании природного сырья с непостоянным составом.
