переведенная посредством ультразвукового распылителя в состояние аэрозоля с размером частиц 0,5–0,8 мкм, переносится газом-носителем в горячую камеру, где происходит мгновенное разложение частиц; образовавшийся продукт собирают на фильтре. В результате синтеза образуются частицы сферической формы за время, значительно меньшее 1 секунды.
1.4.3Особенности процессов формования
испекания технической керамики
Формование изделий является важным технологическим этапом при изготовлении керамики, так как строение прессовок и в первую очередь поровая структура определяют степень и равномерность ее удаления при спекании, а также получение заданной микроструктуры керамики. Основными свойствами отформованного изделия, которые в значительной степени определяют качество спекания керамики и ее микроструктуру, являются относительная плотность, равноплотность, максимальный размер пор и распределение пор по размерам.
Необходимо использовать такие методы формования изделий, которые обеспечивают равномерную укладку частиц без существенных напряжений, что позволяет получать равноплотную прессовку с примерно одинаковым размером пор. Такое строение прессовки предотвращает дифференцированное (зонное) спекание и обеспечивает рав- номерно-кристаллическую микроструктуру керамики после обжига.
В настоящее время в технологии тонкой технической керамики принципиально осуществимы все керамические методы формования: полусухое, горячее, изостатическое, в том числе горячее, прессование; литье водных суспензий в пористые формы, горячее литье под давлением, пленочное литье; пластическое формование и др.
Керамические порошки состоят, как правило, из высокодисперсных частиц, являются низкотекучими, обладают низкой пластичностью. При формовании из них заготовок, в частности, методом прессования, часто возникает потребность в применении пластификаторов или связующих веществ, обычно органической природы. Выбор связок и относительное их содержание определяются свойствами порошков, их дисперсностью и химическим составом.
Помимо пластификаторов могут быть использованы также смазки для пресс-форм и пуансонов, уменьшающие трение между ними и по-
21
тери усилия пресса. В качестве пластифицирующих веществ используют растворы органических высокомолекулярных соединений (полимеров) в воде (поливиниловый спирт – ПВС, метилцеллюлоза – МЦ и пр.), в органических растворителях (растворы каучуков в бензине, полиметилметакрилата в летучих растворителях и т.п.). Могут быть применены парафины, глицерин, различные масла. В качестве твердых пластификаторов иногда берут графит, нитрид бора и пр., если это не ухудшает эксплуатационных свойств получаемых керамических изделий. Как смазки выступают обычно некоторые из пластификаторов, а также стеариновая кислота или стеараты, пальмитаты, олеаты (мыла).
Принципиальное различие вышеперечисленных методов формования состоит, с одной стороны, в применении различного количества временных связок: при прессовании от 0 до 10 % по массе, при пластичном формовании от 7 до 15 % и при шликерном литье от 15 до 35 %, а с другой стороны, в том, что при переходе от прессования к пластическому формованию и шликерному литью увеличиваются технологические возможности изготовления сложных по конфигурации изделий.
Методы формования различаются и пределами применяемых давлений. Так, в процессе прессования обычно применяются удельные давления до 600 МПа и более. При пластичном формовании удельные давления значительно меньше: от 0,98 до 200 МПа, а при шликерном литье практически уменьшаются до 0,98 МПа.
Обжиг изделий в зависимости от их состава, формы и размеров проводят различными способами по индивидуальным режимам, используя при этом для уплотнения все известные механизмы спекания (твердофазное, жидкофазное, реакционное и др.). При обжиге керамических заготовок могут происходить различные физико-химические процессы: термическое разложение исходных сырьевых материалов, химические реакции между компонентами или с газовой средой, полиморфные превращения, эвтектическое плавление, растворение в расплаве одних твердых фаз и кристаллизация из расплава других. Эти процессы могут сопровождаться изменением массы, объема, химического и фазового состава, плотности и пористости.
Среди явлений, протекающих при обжиге, важнейшим является процесс спекания, обусловливающий превращение пористых заготовок из конгломерата слабосвязанных частиц, объединяемых преимущест-
22
венно силами трения и адгезии, в плотное, прочное тело с заданной структурой и свойствами.
Материалы на основе тугоплавких соединений, особенно тех, которые отличаются преимущественно ковалентным типом связи, спекаются плохо даже при очень высоких температурах. В связи с этим прибегают к различным способам активированного процесса уплотнения при спекании. Это механохимическая активация порошка, введение добавок, активирующих спекание, применение горячего и горячего изостатического прессований.
Одним из способов активирования процесса спекания является повышение дисперсности исходных порошков и уменьшение размера агрегатов, что позволяет существенно снизить температуру спекания керамических материалов. Порошки, состоящие из крупных агрегатов (5 мкм и более), как правило, не спекаются до высокой плотности даже при предельных температурах из-за образования пористости между и внутри агрегатов.
Можно существенно интенсифицировать процессы спекания созданием повышенной дефектности кристаллической структуры спекаемого материала и поддержанием ее в ходе спекания, что достигается методами механохимической активации исходных порошков.
Весьма существенно на процесс спекания влияют неконтролируемые примеси и контролируемое введение добавок. Некоторые добавки снижают температуру спекания, регулируют микроструктуру и свойства керамики. В зависимости от вида взаимодействия добавки подразделяют на четыре группы:
1)полностью растворимые в кристаллической решетке основного вещества; широко применяются для повышения скорости твердофазного спекания, действуют главным образом за счет изменения концентрации вакансий в катионной либо в анионной подрешетках кристалла;
2)не растворимые, а образующие жидкую фазу при спекании за счет плавления либо за счет взаимодействия с основным веществом
собразованием эвтектического расплава; ускоряют спекание в результате интенсификации процессов переноса вещества в присутствии жидкой фазы и влияют на характер микроструктуры;
3)инертные, не растворимые в основном веществе и не взаимодействующие с ним; снижают поверхностную энергию частиц и чаще всего замедляют процесс спекания. Очень перспективными являются до-
23
бавки, химически не взаимодействующие с основным веществом, вводимые в области эвтектических составов;
4) вступающие в химическое взаимодействие с основным веществом с образованием нового химического соединения; могут ускорять или замедлять процесс твердофазного спекания и влиять на процессы рекристаллизации в зависимости от вида образующегося нового соединения.
Модифицирующие добавки, образующие твердые растворы, являются наиболее перспективными для управления процессом твердофазного спекания, микроструктурой и свойствами керамики.
Спекание под давлением, или горячее прессование (ГП), находит весьма широкое применение в технологии керамики, в частности, для изготовления высокоплотных изделий из наиболее трудноспекающихся материалов (карбиды, нитриды и др.). Интенсивно применяется в технологии технической керамики метод горячего изостатического прессования, который по механизму спекания подобен ГП, а по схеме осуществления – процессу холодного изостатического прессования.
Перспективным для спекания керамики является использование микроволнового излучения, что позволяет: 1) снизить энергетические затраты, сократить продолжительность процесса спекания; 2) повысить дисперсность и однородность структуры спеченных материалов; 3) достичь более высокого уровня свойств по сравнению со свойствами материалов, спеченных с применением обычных источников нагрева.
После обжига некоторые изделия подвергают дополнительным видам обработки – механическим, металлизации, поляризации, намагничиванию и др.
Список литературы
Основная
1.Химическая технология керамики: учеб. пособие для вузов / под ред. проф. И.Я. Гузмана. – М.: Стройматериалы, 2003. – 496 с.
2.Шевченко В.Я., Баринов С.М. Техническая керамика. – М.: Нау-
ка, 1993. – 187 с.
3.Керамика для машиностроения / А.П. Гаршин, В.М. Гропянов, Г.П. Зайцев, С.С. Семенов. – М.: Научтехлитиздат, 2003. – 384 с.
24
4.Швейкин Г.П. Керамика: прогнозы развития на 2000–2005 гг. // Огнеупоры и техническая керамика. – 2000. – № 7. – С. 5–9.
5.Шевченко В.Я., Терещенко Г.Ф. Исследования, разработки и инновации в области керамических и стекломатериалов // Вестн. Рос. акад.
наук. – 2000. – Т. 70, № 1. – С. 50–56.
6.Бакунов В.С., Лукин Е.С. Особенности технологии высокоплотной технической керамики. Химические методы получения исходных порошков // Стекло и керамика. – 2008. – № 2. – С. 3–7.
7.Боровинская И.П. СВС-керамика: синтез, технология, применение // Наука – производству. – 2002. – № 6. – С. 28–35.
8.Шабанова Н.А., Попов В.В., Саркисов П.Д. Химия и технология нанодисперсных оксидов: учеб. пособие для вузов. – М.: Академкнига, 2007. – 309 с.
Дополнительная
1. Лукин Е.С. Современная высокоплотная оксидная керамика с регулируемой микроструктурой. Ч. I. Влияние агрегации порошков оксидов на спекание и микроструктуру керамики // Огнеупоры и тех-
ническая керамика. – 1996. – № 1. – С. 5–14, № 2. – С. 9–18.
2. Лукин Е.С. Современная высокоплотная оксидная керамика с регулируемой микроструктурой. Ч. IV. Технологические методы получения высокодисперсных порошков оксидов для многокомпонентной оксидной керамики // Огнеупоры и техническая керамика. – 1996. –
№9. – С. 2–10.
3.Физико-химические и технологические основы самораспространяющегося высокотемпературного синтеза / Е.А. Левашов, А.С. Рогачев, В.И. Юхвиц, И.П. Боровинская. – М.: БИНОМ, 1999. – 176 с.
4.Андриянов Н.Т. Золь-гель метод в технологии оксидных материалов // Стекло и керамика. – 2003. – № 10. – С. 17–20.
5.Bykov Yu.V., Rybakov K.I., Semenov V.E. High-temperature microwave processing of materials // J. Phys. D: Appl. Phys. – 34 (2001). – P. 55–75.
6.Суворов С.А., Туркин И.А., Дедовец М.А. Структура и свойства циркониевых материалов, полученных саморазогревом в электромагнитном поле СВЧ // Огнеупоры и техническая керамика. – 2004. –
№8. – С. 5–7.
25