Материал: Влияние внешнего давления на температуру спекания керамических материалов

Влияние внешнего давления на температуру спекания керамических материалов

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САРАТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ Н.Г.ЧЕРНЫШЕВСКОГО»

Кафедра материаловедения,

технологии и управления качеством

Влияние внешнего давления на температуру спекания керамических материалов

КУРСОВАЯ РАБОТА

студента 3 курса 381 группы специальности «Материаловедение

и технология новых материалов»

факультета нано - и биомедицинских технологий

Стенькина Павла Дмитриевича

Саратов 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

.        Виды керамики

.1      Керамика на основе (Al2O3

.2      Керамика на основе диоксида циркония (ZrO2

.        Методы регулирования температуры спекания

.1      Влияние добавок на температуру спекания керамики

.2      Влияние внешнего давления на температуру спекания керамики

.        Технологии формирования керамических изделий

.1      Способ 1

.2      Способ 2

.        Полимерная керамика

.1      Полимерная глина

.2      Состав полимерной глины

.        Метод формирования полимерных керамических изделий

Заключение

Список использованных источников

ВВЕДЕНИЕ

Керамика - неорганический материал, получаемый из отформованных минеральных масс в процессе высоко температурного обжига. В результате обжига (1200-2500ОС) формируется структура материала (спекание), и изделие приобретает необходимые физико-механические свойства.

Техническая керамика включает искусственно синтезированные керамические материалы различного химического и фазового состава; она обладает специфическими комплексами свойств. Такая керамика содержит минимальное количество или совсем не содержит глины. Основными компонентами технической керамики являются оксиды и бескислородные соединения металлов. Любой керамический материал является многофазной системой. В керамике могут присутствовать кристаллическая, стекловидная и газовая фазы.

Кристаллическая фаза представляет собой определенные химические соединения или твердые растворы. Эта фаза составляет основу керамики и определяет значения механической прочности, термостойкости и - других ее основных свойств.

Стекловидная фаза находится в керамике в виде прослоек стекла, связывающих кристаллическую фазу. Обычно керамика содержит 1 - 10 % стекло фазы, которая снижает механическую прочность и ухудшает тепловые показатели. Однако стеклообразующие компоненты (глинистые вещества) облегчают технологию изготовления изделий.

Газовая фаза представляет собой газы, находящиеся в порах керамики; по этой фазе керамику подразделяют на плотную, без открытых пор и пористую. Наличие даже закрытых пор нежелательно, так как снижается механическая прочность материала.

Большинство видов специальной технической керамики обладает плотной спекшейся структурой поликристаллического строения, для ее получения применяют специфические технологические приемы [1].

. ВИДЫ КЕРАМИКИ

Керамические материалы классифицируют по химическому составу и по назначению.

Классификация керамики по химическому составу:

. Оксидная керамика. Данные материалы состоят из чистых оксидов Al2O3, SiO2, ZrO2, MgO, CaO, BeO, ThO2, TiO2, UO2, оксидов редкоземельных металлов, их механических смесей (ZrO2-Al2O3 и др.), твердых растворов (ZrO2-Y2O3, ZrO2-MgO и др.), химических соединений (муллит 3Al2O3×2SiO2 и др.)

. Безоксидная керамика. Этот класс составляют материалы на основе карбидов, нитридов, боридов, силицидов, фосфидов, арсенидов и халькогенидов (кроме оксидов) переходных металлов и неметаллов III-VI групп периодической системы.

Классификация керамики по назначению:

. Строительная керамика.

. Тонкая керамика.

. Химически стойкая керамика.

. Огнеупорная керамика.

. Техническая керамика.

Техническая керамика объединяет материалы, применяемые в различных областях современной техники, которые можно разделить на следующие группы:

. Конструкционная керамика.

. Инструментальная керамика.

. Электрорадиотехническая керамика.

. Керамика с особыми свойствами.

Часто керамические материалы условно делят на «традиционные» и «новые». Традиционная керамика используется в давно сложившихся областях применения: строительстве, металлургической, химической промышленности. Термин «новая керамика» отражает использование керамики в машиностроении, авиационной, космической промышленности в качестве конструкционного и инструментального материала, а также в электронике.

Следует отметить, что традиционная и электротехническая керамика является в основном оксидной, в то время, как новая керамика и некоторые виды специальной керамики, в соответствии с классификацией по химическому составу могут относиться к обеим группам [2].

.1 Керамика на основе Al2O3

Оксид алюминия - глинозем - является тугоплавким химическим соединением с ионно-ковалентным типом связи кристаллической решетки. Он имеет несколько кристаллических модификаций. Установлены α-, β- и γ-модификации глинозема, причем α- и γ-Аl2O3 представляют собой чистый оксид алюминия, а β- модификация - соединение оксида алюминия со щелочными и щелочно-земельными оксидами.

В природных условиях встречается только α-Al2O3 в виде минералов корунда, рубина, сапфира, который кристаллизуется в тригональной сингонии. Кубический γ- и гексагональный β-Al2O3 являются нестабильными модификациями, которые при нагреве свыше 1500°С переходят в α-Al2O3.Корундовой технической керамикой называется керамика, содержащая более 95% α-А12О3.

Технология различных видов корундовой керамики может существенно отличаться. Используются как достаточно традиционные керамические технологии с применением природного сырья, так и передовые технологические методы, в особенности для производства высокопрочных керамик.

Исходными материалами в технологии корундовой керамики являются порошки оксида алюминия, получаемые различными способами.

Технический глинозем(технический оксид алюминия) традиционно является одним из основных видов сырья для производства корундовой керамики. Его получают путем разложения минерала боксита, представляющего собой смесь гидроксидов алюминия раствором едкой щелочи с образованием алюмината натрия, который переходит в раствор. Раствор алюмината очищают от примесей, после чего выделяют чистый гидроксид алюминия, который прокаливают при температуре 1150-1200°С. В результате образуется порошок технического глинозема.Полученные порошки представляют собой шарообразные (сферолитные) агломераты кристаллов γ-Аl2O3 размером менее 0,1мкм. Средний размер сферолитов составляет 40-70мкм. Микроструктура Аl2O3 представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Микроструктура Аl2O3

В технологии керамики на основе Аl2O3 широко применяют белый электроплавленый корунд. Белый электрокорунд (корракс, алунд) получают путем плавки в электрических дуговых печах технического глинозема. Содержание α-А12О3 в белом электрокорунде составляет 98% и более.

Порошки оксида алюминия получают также термическим разложением некоторых солей алюминия, например азотнокислого алюминия. Средний размер получаемых частиц составляет 0,1мкм, вследствие чего обладает большой химической активностью.

Для получения ультрадисперсных порошков Аl2O3, которые используются в технологии конструкционной и инструментальной керамики, широкое распространение получил способ совместного осаждения гидроксидов (СОГ) и плазмохимического синтеза (ПХС). Сущность метода СОГ заключается в растворении солей алюминия, например AlCl3 в растворе аммиака и последующем выпадении образующихся гидратов в осадок. Процесс ведут при низких температурах и больших сроках выдержки. Полученные гидроксиды сушат и прокаливают, в результате образуется порошок Аl2O3 с размером частиц 10-100нм. В технологии ПХС водный раствор Al(NO3)3 подается в сопло плазмотрона. В каплях раствора возникают чрезвычайно высокие температурные градиенты, происходит очень быстрый процесс синтеза и кристаллизации Аl2O3. Частицы порошка имеют сферическую форму и размер 0,1-1мкм.

Порошки Аl2O3, независимо от технологии их получения, перед формованием подвергают прокаливанию при температуре 1500°С с целью обезвоживания и перевода в устойчивую и более плотную α-модификацию.

Для получения плотной спеченной корундовой керамики технический глинозем и электрокорунд должны быть измельчены до частиц размером 1-2мкм, а в некоторых случаях и мельче.Для этого применяют шаровые, вибрационные и струйные мельницы. Шаровые мельницы футеруют алундовой клепкой или резиной. Засорения глинозема в таких мельницах практически не происходит.

Формование корундовых изделий производят путем литья из водных суспензий, литья под давлением, одноосного статического прессования, гидростатического прессования, горячего прессования.

Метод гидростатического прессования позволяет получать крупногабаритные керамические заготовки сложной формы. В гидростате равномерные уплотняющие усилия и, соответственно, равноплотность всех участков прессуемого изделия обеспечивается передачей давления от нагнетаемой жидкости к изделию через эластичную оболочку. Равномерное распределение плотности в прессовке благоприятно сказывается на равномерности усадки при спекании.

Спекание корундовой керамики в большинстве случаев является твердофазным. Температура спекания зависит от дисперсности и активности исходных порошков, условий спекания, вида и количества добавок. Дисперсность порошков корунда оказывает решающее влияние не только на температуру спекания, но и вообще на возможность спекания корунда. Максимальный размер частиц порошка А12О3 не должен превышать 3-5мкм. Для порошков А12О3 с дисперсностью 1-2мкмбез введения добавок температура спекания находится в пределах 1700-1750°С. При этом достигается плотность 3,7-3,85г/см3, или относительная плотность 0,94-0,96. Для подобного уплотнения при дисперсности 2мкм требуется уже температура 1750-1800°С, а при дисперсности около 5мкм даже при 1850°С плотность составляет всего 0,82-0,84 от теоретической. Ультра- и нанодисперсные порошки А12О3 вследствие высокой поверхностной энергии и дефектности кристаллического строения являются весьма активными. Корундовые прессовки из таких порошков могут спекаться до высокой плотности (0,95) при температуре 1600°С без существенного увеличения размера зерна.

Следует отметить, что прочностные характеристики корундовой керамики в решающей мере определяются свойствами исходного порошка (чистота, дисперсность, активность) и технологией получения материала и варьируются в широких пределах. Так, предел прочности при изгибе корундовой керамики, полученной из технического глинозема путем прессования и спекания, не превышает 450Мпа. В то же время прочность горячепрессованной керамики из ультрадисперсных порошков А12О3 достигает 650Мпа. Трещиностойкость корундовой керамики в меньшей степени зависит от технологии изготовления и не превышает 3Мпа∙м0,5.

Корунд отличается исключительно высокой химической стойкостью в отношении кислот и щелочей. При нормальной температуре на него практически не действует плавиковая кислота. Корунд устойчив к действию большинства расплавов щелочных металлов.

В таблице 1 представлены основные физико-механические характеристики спеченной корундовой керамики.

Таблица 1 - Свойства корундовой керамики

Корундовая керамика широко применяется в самых различных областях. Традиционные сферы ее применения: огнеупорная, химическая промышленность, электро- и радиотехника. С появлением новых технологий получения исходных порошков, формования и спекания изделий область применения корундовой керамики существенно расширилась. В настоящее время высокопрочные керамики на основе А12О3 используются для изготовления изделий конструкционного назначения, применяемых в машиностроении, авиационной и космической технике [3].

.2 Керамика на основе диоксида циркония (ZrO2)

Керамика на основе диоксида циркония (ZrO2) частично стабилизированного оксидом иттрия (Y2О3), выделяется среди других конструкционных керамик высокими прочностными показателями и трещиностойкостью при сохранении устойчивости к коррозии и износу.

Диоксид циркония - тугоплавкое соединение с преимущественно ионной межатомной связью, существующее в трех кристаллических модификациях - кубической, тетрагональной и моноклинной. Высокие прочность и трещиностойкость диоксида циркония обусловлены трансформационным переходом (полиморфным превращением) метастабильной тетрагональной модификации в стабильную моноклинную.

Низкая теплопроводность ZrO2 затрудняет теплоотвод при триботехнических применениях. Высокое значение коэффициента термического расширения благоприятствует сочленению деталей из диоксида циркония с металлическими и стальными деталями, имеющими близкие значения КТР.

Негативная характеристика ZrO2(Y2О3) - деградация механических свойств под воздействием влаги при температурах до 300°С.

В меньшей степени этот недостаток присущ корундоциркониевым композиционным керамикам (КЦК) Al2O3- ZrO2(Y2О3). Твердость КЦК материалов превосходит аналогичный показатель диоксида циркония за счет вклада высокотвердой Al2O3 - компоненты. Аналогичное утверждение справедливо и для коэффициента теплопроводности.

Керамика на основе оксида алюминия (Al2O3) отличается высокой твердостью, более низкой прочностью, высоким модулем упругости. Материал отличается высокой коррозионной стойкостью, устойчив к воздействию большинства органических и неорганических кислот и солей. Негативная сторона комплекса физико-механических свойств Al2O3 - самая низкая трещиностойкость в ряду производимых конструкционных керамик.

Области применения:

Общее направление применения износостойких изделий из оксидных керамик - пары трения (подшипники скольжения) для насосостроения, детали запорной арматуры, детали торцовых уплотнений и клапанов, футеровки и шары для размола, тигли для плавки драгметаллов [4].

Таблица 2 - Физико-механические и физические свойства