Реферат: Керамика

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН ТАШКЕНТСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ИНСТИТУТ Кафедра: Материаловедения На тему: КЕРАМИКА Выполнил: Маврин А.Ю студент группы 147-02 Принял: ТАШКЕНТ 2004 КЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ Керамика - неорганический материал, получаемый из отформованных минеральных масс в процессе высоко температурного обжига. В результате обжига (1200-2500О С) 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. Керамика на основе чистых оксидов. В производстве оксидной керамики используют в основном следующие оксиды: Аl2О3 (ко­рунд), ZrO2, MgO, СаО, ВеО, ThO2, UO2. Структура керамики однофазная поликристаллическая. Кроме кристаллической фазы может содержаться небольшое количество газов (поры) и стекло­видной фазы, которая образуется в результате наличия, примесей в исходных материалах. Температура плавления чистых оксидов превышает 2000ОС, поэтому их относят к классу высокоогнеупоров. Как и для других неорганических материалов, оксидная керамика обладает высокой прочностью при сжатии по сравнению с проч­ностью при растяжении или изгибе; более прочными являются мелко кристаллические структуры, так как при крупнокристалли­ческом строении на границе между кристаллами возникают значи­тельные внутренние напряжения.

Рис.2. Зависимость потери массы оксидных керамик в вакууме (p = 0,013 Па) от температуры: 1 – MgO; 2 – Al2O3; 3 – ZrO2 (стабилизованная CaO); 4 – BeO; 5 – ZrO2 (стабилизованная MgO)

С повышением температуры прочность керамики понижается (рис.1.). При использовании материалов в области высоких температур важным Свойством является окисляемость. Керамика из чистых оксидов, как правило, не подвержена процессу окисле­ния. Керамика на основе А12О3 (корундовая) обладает высокой проч­ностью, которая сохраняется при высоких температурах, хими­чески стойка, отличный диэлектрик. Термическая стойкость корунда невысокая. Изделия из него широко применяют во многих областях техники: резцы, используемые при больших скоростях резания, калибры, фильеры для протяжки стальной проволоки, детали высокотемпературных печей, подшипники печных конвей­еров, детали насосов, свечи зажигания в двигателях внутреннего сгорания. Керамику с плотной структурой используют в качестве вакуумной, пористую - как термоизоляционный материал. В ко­рундовых тиглях проводят плавление различных металлов, окси­дов, шлаков. Корундовый материал микролит (ЦМ-332) по свой­ствам превосходит другие инструментальные материалы, его плот­ность до 3960 кг/м3, σсж до 5000 МПа, твердость 92-93 HRA и красностойкость до 1200 ОС, Из микролита изготовляют резцовые пластинки, фильеры, насадки, сопла, матрицы и др. Особенностью оксида циркония (ZrO2) является слабокислотная или инертная природа, низкий коэффициент теплопроводности. Рекомендуемые температуры применения керамики из ZrO2 2000­-2200 ОС; она используется для изготовления огнеупорных тиглей для плавки металлов и сплавов, как тепловая изоляция печей, аппаратов и реакторов, в качестве покрытия на металлах для защиты последних от действия температур. Керамика на основе оксидов магния и кальция стойка к действию основных шлаков различных металлов, в том числе и щелочных. Термическая стойкость их низкая. Оксид магния при высоких температурах летуч, оксид кальция способен к гидратации даже на воздухе. Их применяют для изготовления тиглей, кроме того, MgO используют для футеровки печей, пирометрической аппара­туры и т. д. Керамика на основе оксида бериллия отличается высокой тепло­проводностью, что сообщает ей высокую термостойкость. Проч­ностные свойства материала невысокие. Оксид бериллия обладает способностью рассеивать ионизирующее излучение высоких энер­гий, имеет высокий коэффициент замедления тепловых нейтронов, применяется для изготовления тиглей для плавки некоторых чистых металлов, в качестве вакуумной керамики в ядерных реакторах. Летучесть спеченных оксидов в вакууме показана на рис.2. Керамика на основе оксидов тория и урана имеет высокую температуру плавления, но обладает высокой плотностью и радио­активна. Эти виды керамики применяют для изготовления тиглей для плавки родия, платины, иридия и других металлов, в конструк­циях электропечей (ThO2), для тепловыделяющих элементов в энергетических реакторах (UO2). Основные свойства керамики на основе чистых оксидов приве­дены в табл.1.

Оксиды 1	Температура плавления, оС	Плотность (Теоретическая) кг/м3	Предел прочности, МПа			Модуль упругости, ГПа	Твёрдость по Моосу	Коэффициент линейного расширения, α, 10-6 с-1	Коэффициент теплопро-водности 2, Вт/(м·К)	Удельное электрическое сопротивление (объёмное), Ом·см	Стойкость к тепло- вому удару	Стойкость к эрозии
			При растяжении	При изгибе	При сжатии
Al2O3	2050	3 990	260	150	3000	382	9	8,4	36,2-6,08 (100-1600 оС)	1016	Высокая	Высокая
ZrO2	2700	5 600	150	230	2100	172	7-8	7,7	1,95-2,44 (100-1400 ос)	104 (1000 оС)	Низкая	»
BeO	2580	3 020	100	130	800	310	9	10,6	218,6-151,1 (100-1600 оС)	1014	Высокая	Средняя
MgO	2800	3 580	100	110	1400	214	5-6	15,6	34,4-6,57 (100-1600 оС)	1015	Низкая	»
CaO	2570	3 350	-	80	-	-	4-5	13,8	13,8-8,37 (100-400 оС)	1014	»	»
ThO	3050	9 690	100	-	1500	140	7	10,2	10,4-3,34 (100-1000 оС)	1013	Низкая	Высокая
UO2	2760	10 960	-	-	980	164,5	6	10,5	9,8-3,4 (100-1000 оС)	103 (800 оС)	-
1 Стойкость к окислению средняя 2 В скобках указана температура испытания

Таблица 1. Свойства керамики на основе чистых оксидов Бескислородная керамика. К тугоплавким бескислородным соединениям относятся соединения элементов с углеродом (МеС) ­карбиды, с бором (МеВ) - Бориды, с азотом (MeN) - нитриды, с кремнием (MeSi) - силициды и с серой (MeS) - сульфиды. Эти соединения отличаются высокими огнеупорностью (2500-3500 ОС), твердостью (иногда как у алмаза) и износостойкостью по отноше­нию к агрессивным средам. Материалы обладают высокой хруп­костью. Сопротивление окислению при высоких температурах (окалиностойкость) карбидов и боридов составляет 900-1000ОС, несколько ниже оно у нитридов. Силициды могут выдерживать температуру 1300 - 1700ОС (на поверхности образуется пленка кремнезема) . Карбиды. Широкое применение получил карбид кремния­ - карборунд (SiC). Он обладает высокой жаростойкостью (1500 - ­1600 ОС), высокой твердостью, устойчивостью к кислотам и не­устойчивостью к щелочам; применяется в качестве нагревательных стержней, защитных покрытий графита и в качестве абразива. Бориды. Эти соединения обладают металлическими свойствами, их электропроводность очень высокая (ρV = (12-57) Х 10 -1 Ом·м). они износостойки, тверды, стойки к окислению. В технике полу­чили распространение дибориды тугоплавких металлов (TiВ2, ZrB 2 и др.). Их легируют кремнием или дисилицидами, что делает их устойчивыми до температуры их плавления. Диборид циркония стоек в расплавах алюминия, меди, чугуна, стали и др. Его исполь­зуют для изготовления термопар, работающих при температуре свыше 2000 OC в агрессивных средах, труб, емкостей, тиглей. Покрытия из боридов повышают твердость, химическую стойкость и износостойкость изделий. Нитриды. Неметаллические нитриды являются высокотермо­стойкими материалами, имеют низкие теплопроводность и электро­проводимость. При обычной температуре это изоляторы, а при высоких температурах - полупроводники. С повышением темпе­ратуры коэффициент линейного расширения и теплоемкость увеличиваются. Твердость и прочность этих нитридов меньше, чем твер­дость и прочность карбидов и боридов. В вакууме при высоких температурах они разлагаются. Они стойки к окислению, действию металлических расплавов. Нитрид бора α-BN - «белый графит» - имеет гексаго­нальную, графитоподобную структуру. Это мягкий порошок, стойкий к нейтральной и восстановительной атмосфере, исполь­зуется как огнестойкий смазочный материал, изделия из него термостойки. Спеченный нитрид бора хороший диэлектрик при 1800 ОС в бескислородной среде. Наиболее чистый нитрид бора применяется в качестве материала обтекателей антенн и электронного оборудования летательных аппаратов. Другой модификацией является β-BN - алмазоподобный нитрид бора с кубической структурой, называемый эльбором. Его получают при высоком давлении и температуре 1360 ОС в присутствии катализатора. Плотность эльбора 3450 кг/мЗ, температура плавления 3000 ОС. Он является заменителем алмаза, стоек к окислению до 2000 ОС (алмаз начинает окисляться при температуре 800 ОС). Нитрид кремния (Si3N4) более других нитридов устойчив на воздухе и в окислительной атмосфере до 1600 ОС. По удельной прочности при высоких температурах Si3N4 превосходит все конструкционные материалы, а по стоимости он дешевле жаропрочных сплавов в несколько раз. Нитрид кремния прочный, износостойкий, жаропрочный материал. Он применяется в двигателях внут­реннего сгорания (головки блока цилиндров, поршни и др.), стоек к коррозии и эрозии, не боится перегрева теплонагруженных деталей. Силициды отличаются от карбидов и боридов полупроводнико­выми свойствами, окалиностойкостью, они стойки к действию кислот и щелочей. Их можно применять при температуре 1300-­1700 ОС, при 1000 оС они не реагируют с расплавленным свинцом, оловом и натрием. Дисилицид молибдена (MoSi 2) используется наиболее широко в качестве стабильного электронагревателя в печах при температуре 1700 оС в течение нескольких тысяч часов. Из спеченного MoSi2 изготовляют лопатки газовых турбин, сопловые вкладыши двигателей; его используют как твердым смазочный материал. для подшипников, для защитных покрытии тугоплавких металлов от высокотемпературного окисления_ Сульфиды. Из сульфидов нашел практическое применение ТОЛЬКО дисульфид молибдена (МoS2), .имеющий высокие антифрик­ционные свойства. Его применяют в качестве сухого вакуумстойкого смазочного материала. Рабочие температуры на воздухе от -150 до 435 ОС, в вакууме до 1100 О С в инертной среде ДО 1540 ос. Дисульфид молибдена электропроводен, немагнитен, стоек к ра­диации, воде, инертным маслам и кислотам, кроме крепких НСl, НNО З и царской водке. При температуре выше 400 оС начинается процесс окисления с образованием оксидной пленки, а при 592 оС образуется МоО3, являющийся абразивом. Свойства бескислородной керамики приведены в табл. 2.

Название	Температура плавления, оС	Плотность, кг/м3	Предел прочности при 20 оС, МПа			Модуль упругости, ГПа	Твёрдость по Моосу	Коэффициент линейного расширения, α, 10-6 с-1	Коэффициент теплопро-водности 2, Вт/(м·К)
			При растяжении	При изгибе	При сжатии
Карбит кремния SiC	2600	3200	155	-	2250	394	9,2-9,5	5,2	16,7 (200-1400)
Диборит титана TiB2	2980	4520	140	246	1350	-	-	8,1	-
Диборит циркония ZrB2	3040	6090	-	-	-	-	-	6,88	-
Нитрит бора BN «белый графит»	2350	2340	50-110 (25); 0,7-1 (1000)	50-110	500-600	8,65 (25); 1,16 (1000)	1-2	7,51	15-12,3 (300-100)
Нитрид кремния Si3N4	1780-1820	3200	-	160	-	317	-	2,75	30
Дисилицид молибдена MoSi2	2030	6240	281 (980)	437 (980)	1130 (20); 340 (1400)	430	-	8,3	48,5 (900)
Примечание. В скобках указана температура применения, оС

Таблица 2. Свойства бескислотной керамики.