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 (1200-2500ОС) формируется структура материала (спекание), и изделие приобретает необходи¬мые физико-механические свойства.

Техническая керамика включает искусственно синтезирован¬ные 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 кера¬мике могут присутствовать кристаллическая, стекловидная и газо¬вая фазы.

Кристаллическая фаза представляет собой определенные хи¬мические 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 стеклообра¬зующие 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 нежела¬тельно, так как снижается механическая прочность материала;

Большинство видов специальной технической керамики обла¬дает 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 (ко¬рунд), ZrO2, MgO, СаО, ВеО, ThO2, UO2. Структура керамики однофазная поликристаллическая. Кроме кристаллической фазы может содержаться небольшое количество газов (поры) и стекло¬видной 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 проч¬ностью при растяжении или изгибе; более прочными являются мелко кристаллические структуры, так как при крупнокристалли¬ческом строении на границе между кристаллами возникают значи¬тельные внутренние напряжения.

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 окисле¬ния.

Керамика на основе А12О3 (корундовая) обладает высокой проч¬ностью, которая сохраняется при высоких температурах, хими¬чески 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 конвей¬еров, детали насосов, свечи зажигания в двигателях внутреннего сгорания. Керамику с плотной структурой используют в качестве вакуумной, пористую - как термоизоляционный материал. В ко¬рундовых тиглях проводят плавление различных металлов, окси¬дов, шлаков. Корундовый материал микролит (ЦМ-332) по свой¬ствам превосходит другие инструментальные материалы, его плот¬ность 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 аппара¬туры и т. д.

Керамика на основе оксида бериллия отличается высокой тепло¬проводностью, что сообщает ей высокую термостойкость. Проч¬ностные свойства материала невысокие. Оксид бериллия обладает способностью рассеивать ионизирующее излучение высоких энер¬гий, 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 радио¬активна. Эти виды керамики применяют для изготовления тиглей для плавки родия, платины, иридия и других металлов, в конструк¬циях электропечей (ThO2), для тепловыделяющих элементов в энергетических реакторах (UO2).

Основные свойства керамики на основе чистых оксидов приве¬дены 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 отноше¬нию к агрессивным средам. Материалы обладают высокой хруп¬костью. 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 не¬устойчивостью 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 полу¬чили распространение дибориды тугоплавких металлов (TiВ2, ZrB2 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 исполь¬зуют 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 высокотермо¬стойкими материалами, имеют низкие теплопроводность и электро¬проводимость. При обычной температуре это изоляторы, а при высоких температурах - полупроводники. С повышением темпе¬ратуры коэффициент линейного расширения и теплоемкость увеличиваются. Твердость и прочность этих нитридов меньше, чем твер¬дость 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 гексаго¬нальную, графитоподобную структуру. Это мягкий порошок, стойкий к нейтральной и восстановительной