Материал: Перспективные композиционные и керамические материалы

Список литературы

Основная

1.Шевченко В.Я., Баринов С.М. Техническая керамика. – М.: Нау-

ка, 1993. – 187 с.

2.Керамика для машиностроения / А.П. Гаршин [и др.]. – М.: Научтехлитиздат, 2003. – 384 с.

3.Химическая технология керамики: учеб. пособие для вузов / под ред. проф. И.Я. Гузмана. – М.: Стройматериалы, 2003. – 496 с.

4.Гнесин Г.Г. Бескислородные керамические материалы. – Киев:

Технiка, 1987. – 152 с.

5.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.Получение ультрадисперсных порошков методом сжигания аэровзвесей частиц металлов / В.Н. Анциферов [и др.] // Космический вызов ХХI века. Т. 2. Перспективные материалы и технологии / под ред. А.А. Берлина и И.Г. Оссовского. – М.: ТОРУС ПРЕСС, 2005. – С. 47–58.

2.Кульметьева В.Б., Порозова С.Е., Гнедина Е.С. Синтез нанокристаллического диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, для низкотемпературного спекания // Изв. вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. – 2011. – № 2. – С. 3–9.

3.Андриевский Р.А. Нитрид кремния – синтез и свойства // Успехи химии. – 1995. – № 4. – С. 311–327.

4.Petzow G., Herrmann M. Silicon nitride ceramics. Structure and Bonding (Berlin, Germany), 102 (High Performance Non-Oxide Ceramics II), 47-167. (2002).

5.Дудник Е.В. Современные гидротермальные методы синтеза на-

нокристаллических порошков на основе ZrO2 // Порошковая металлур-

гия. – 2009. – № 3/4. – С. 146–158.

Контрольные вопросы

1.Кристаллические модификации оксида алюминия и возможности их применения для получения корундовой керамики.

2.Химические методы получения оксида алюминия.

41

3.С какой целью в диоксид циркония вводят добавки оксидов иттрия, магния, кальция и др.?

4.Почему моноклинная модификация диоксида циркония не применяется для получения керамических материалов?

5.Виды порошков технического карбида кремния.

6.Промышленный метод синтеза карбида кремния.

7.Какие свойства нитрида кремния делают его перспективным материалом для конструкционной керамики?

8.Основные методы синтеза порошков нитрида кремния.

9.Какие элементы входят в состав сиалонов?

10.Какие соединения называют симонами?

42

Глава 3. КЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ КОНСТРУКЦИОННОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Одной из самых широких областей применения высокопрочной керамики является машиностроение. Замена наиболее ответственных деталей машин и механизмов стойкими керамическими аналогами позволяет повысить надежность, долговечность, точность работы, экономические показатели не только данной детали или узла, но и всей машины в целом. Высокая прочность керамического материала, как и вязкость разрушения (трещиностойкость), необходимы именно в этой области для надежного механического соединения металлических и керамических частей. С учетом статистики разрушений и достаточно высокого сопротивления медленному росту трещин требования к прочности и вязкости разрушения возрастают до 800–1000 МПа и 9–10 МПа м½ соответственно.

К основным керамическим материалам конструкционного назначения относятся оксиды алюминия и циркония, карбид и нитрид кремния. Большое внимание ученых привлекают материалы в системах типа карбидов и боридов циркония, гафния, тантала, перспективные для создания тугоплавких материалов с рабочими температурами выше

1800 °С.

3.1. Керамические материалы на основе оксида алюминия

Керамика на основе оксида алюминия остается наиболее широко применяемым керамическим материалом в самых разнообразных областях техники, так как она имеет такое благоприятное сочетание свойств, какого не имеется ни у одного огнеупорного оксида.

На основе корунда создано большое количество высококачественных материалов, наиболее известные и применяемые в промышленности: ВК-94-1, ВК-100-1, ЦМ-332 (микролит), картинит, сикор, корал-2 и ряд других. Свойства зависят от содержания глинозема, состава зернограничных фаз, размера зерна, других характеристик микроструктуры.

Большинство изделий корундовой керамики изготавливают из технического глинозема, который подвергают предварительному обжигу при температуре 1300–1400 °С для его перевода из γ-Al2O3 в α-форму.

43

В зависимости от конфигурации и размеров изделий для формования заготовок используют различные методы – прессование, в том числе изостатическое, шликерное литье в гипсовые формы, горячее литье под давлением в металлические формы, пленочное литье.

Обжиг корундовых изделий осуществляют в высокотемпературных печах, как в окислительной, так и инертной среде. Температура обжига изделий из корунда технической чистоты (Al2O3 – 99–99,5 %) и дисперсностью 1–2 мкм без введения добавок находится в пределах 1700– 1750 °С. При этой температуре достигается плотность 3,75–3,85 г/см3, или относительная плотность 0,94–0,96 %. Прочность изгиба такой керамики с размером зерна 30–40 мкм составляет 120–300 МПа (рис. 3.1). Дальнейшее увеличение температуры до 1800–1850 °С в воздушной среде и длительная выдержка практически не приводят к дополнительному уплотнению, чему препятствуют закрытые внутрикристаллические поры и процессы рекристаллизации.

Рис. 3.1. Микроструктура керамики на основе Al2O3

Сравнительно низкая плотность изделий из чистого глинозема вынуждает применять добавки в виде индивидуальных чистых оксидов или комбинированного состава, в том числе и стекловидных.

К первому виду относятся широко используемые в промышленных массах оксиды – TiO2, MgO, ZrO2, MnO2 и др. Наиболее эффективно температуру спекания снижает добавка TiO2.

Ряд добавок задерживает рост кристаллов корунда. Наиболее сильно этот эффект проявляется при введении MgO и MgF2. Кроме этих добавок к числу задерживающих кристаллизацию, но в меньшей степени, принадлежат ZrO2, SiO2, CaF2 и ряд других.

44

Добавка 30 % ZrO2, частично стабилизированного 3 мол.% Y2O3, после спекания в вакууме при 1750 °С позволила получить керамику с плотностью близкой к теоретической, мелкокристаллической структурой и очень высокими механическими свойствами. Располагаясь по границам кристаллов корунда, фаза диоксида циркония сдерживает рост кристаллов, способствует уплотнению и упрочнению керамики.

Существенное снижение температуры спекания может быть достигнуто добавками, которые образуют жидкую фазу. Присутствие жидкой фазы с высоким поверхностным натяжением и хорошим смачиванием кристаллов корунда позволяет снизить температуру спекания на 300–400 °С при весьма небольшом содержании добавок (1,5–5,0 мас.%). Подбирая добавки с целью образования в процессе обжига эвтектического расплава, можно достичь высокой степени уплотнения при температурах 1300–1500 °С при сохранении мелкокристаллической структуры с последующей кристаллизацией расплава, что обеспечивает получение керамики, практически не содержащей стеклофазу. Можно выделить добавки систем MnO–Al2O3–SiO2, MnO–TiO2, MgO– SiO2, MgO–TiO2 и некоторые другие, которые при содержании 2–3 мас.% позволяют снизить температуру спекания в воздушной среде до 1300– 1550 °С.

Прочностные параметры корундовых материалов в зависимости от вида добавок и методов изготовления колеблются в пределах 300– 750 МПа. Прочность при изгибе плотной спеченной (без добавок) корундовой керамики при комнатной температуре составляет 120– 300 МПа, а керамики, спеченной с введением MgO, – 300–450 МПа. Прочность на уровне 700–750 МПа может быть достигнута при использовании высокодисперсных порошков и спекании методом горячего прессования или в газостате.

Одним из важных факторов, влияющих на температурную зависимость прочностных показателей корундовой керамики, является наличие остаточной стеклофазы по границам зерен. Размягчение зернограничной стеклофазы приводит к изменению микроструктурного механизма разрушения.

Керамика на основе корунда нашла применение в машиностроении в качестве резцов для обработки металлов, материала для мелющих тел и футеровки мельниц, фильер и сопел, пар трения, подшипников. В сельском хозяйстве используют щелевые сопла для распыления ядо-

45