Классификация керамических материалов
История развития и совершенствования изделий из обожженной глины. Характеристика технологических видов керамики. Особенность использования керамических материалов в электротехнике. Изучение клиноэнстатитовой, муллитовой и муллито-корундовой керамики.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 29.05.2018 |
| Размер файла | 1,8 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
«Московский авиационный институт
(национальный исследовательский университет)» (МАИ)
Институт аэрокосмических конструкций, технологий и систем управления
Курсовая работа
По дисциплине «Материаловедение и материалы электронных средств»
«Керамические материалы. Классификации. Применение в радиоэлектронике»
Выполнил:
Багаутдинов А.Р
Руководитель:
Кузькин В.И.
Москва 2018
Оглавление
Введение
1. Классификация керамических материалов и изделий
2. История развития и совершенствования керамики
3. Керамика на основе силикатов и алюмосиликатов
Список используемых источников
Введение
Высококачественные керамические материалы уже сегодня открывают такие возможности применения, которые считались практически невозможными еще вчера. Благодаря уникальным свойствам, техническая керамика считается одним из наиболее эффективных материалов нашего времени.
Этот материал также называют технической керамикой, машиностроительной керамикой или промышленной керамикой. Эти термины охватывают множество различных и частично узкоспециализированных керамических материалов с уникальными механическими, электрическими, тепловыми и биохимическими свойствами и их сочетаниями.
Эти особые характеристики могут в дальнейшем развиваться, оптимизироваться и приспосабливаться для использования в технических областях. Также существует возможность сочетания различных свойств. Такие материалы могут быть использованы для разработки высококачественных компонентов, которые выполняют необходимые задачи с оптимальной точностью и могут на многие годы опережать в соответствующей области применения конкурирующие с ними материалы, такие как металлы или пластмассы. Компоненты, изготовленные из керамических материалов, все чаще становятся единственным решением технических проблем, которые не могут быть решены с помощью обычных материалов.
1. Классификация керамических материалов и изделий
В зависимости от областей применения их можно разделить на:
Строительную керамику - изделия, предназначенные для кладки стен и наружной облицовки зданий и сооружений, внутренней облицовки стен, санитарно-технические изделия, керамические трубы и изделия для прокладки подземных коммуникаций и др.
Химически стойкая (кислотоупорная) керамика - изделия, предназначенные для транспортировки и хранения агрессивных веществ, а также для облицовки помещений химических производств.
Тонкая керамика - хозяйственная и химическая посуда, декоративно-художественные и электрохимические изделия.
Специальная керамика - изделия, применяемые в радиоэлектронике, авиационной, космической и других отраслях науки и производства.
Огнеупорная керамика - изделия, применяемые для службы в условиях высоких температур в теплотехнических, энергетических, металлургических агрегатах.
Технологические виды керамики:
Терракота - керамические неглазурованные изделия с цветным пористым черепком, после обжига имеют цвет от светло-кремового до красно-коричневого и черного.
Майолика - изделия из цветной обожженной глины с крупнопористым черепком покрытые глазурью или керамика с цветными глазурями на белом или цветном черепке.
Фаянс - это плотные, мелкозернистые, белые или равномерно окрашенные изделия, имеющие сравнительно высокие пористость и водопоглащение (~12%).
Фарфор - изделия тонкой керамики, спекшиеся, без пор, непроницаемые для воды и газа, обычно белые, звонкие, просвечивающиеся в тонком слое.
Каменная масса (каменный товар) - керамические изделия, близкие к фарфору, но непрозрачные, имеющие плотный, почти без пор, серый или коричневый черепок.
Техническая керамика - это искусственным образом синтезированные материалы с разным фазовым и химическим составом.
Именно поэтому она имеет ряд специфических свойств. Она либо содержит глину в малых дозах, либо глина в её составе вообще отсутствует. Главными элементами данной разновидности керамики являются оксиды и соединения металлов(бескислородные). Многие её виды имеют спекшуюся структуру и поликристаллическое строение. При производстве используются специальные технологические приёмы.
Техническое состояние состоит из 3 фаз:
1. Кристаллическая фаза. Она определяет уровень прочности, термостойкости и иных значимых свойств.
2. Фаза стекловидная. Стеклянные прослойки в керамике снижают её прочность, при этом упрощают производство изделий.
3. Газовая фаза. Поры керамических изделий содержат газы. В зависимости от количества газов выделяют: пористую, плотную и без открытых пор керамику.
На сегодняшний день, выделяют 3 основных разновидности данной керамики, которые имеют уникальные свойства:
1. Окиси - глинозем и двуокись циркония.
2. Не окиси - азотные соединения и карбиды, бориды и силициды
3. Различные сочетания двух предыдущих видов.
2. История развития и совершенствования керамики
Кераммика - изделия из неорганических материалов (например, глины) и их смесей с минеральными добавками, изготавливаемые под воздействием высокой температуры с последующим охлаждением.
В узком смысле слово керамика обозначает глину, прошедшую обжиг.
Керамическое производство относится к числу наиболее древних на Земле. Наличие легкодоступного материла - глины - обусловило раннее и практически повсеместное развитие керамического ремесла.
Археологические раскопки, проводимые на территории многих стран Европы, Азии, Америки, дают обширный материал для изучения этой интереснейшей области творческой деятельности человека.
Керамическое мастерство зародилось на самой заре человеческой истории, в период первобытно-общинного строя. Появившись, как свидетельствуют археологические данные, еще в эпоху мезолита 15-12 тыс. лет назад, оно уже в эпоху неолита получило развитой характер.
Первоначально основным видом керамических изделий были толстостенные сосуды с пористом черепком, круглым или коническим дном. Лепились они от руки путем наращивания отдельных жгутиков глины (способом налепа). В глину, чтобы она не трескалась при обжиге, добавлялись толченые раковины и измельченный гранит. Крупные сосуды использовались для приготовления пищи, более мелкие служили, очевидно, для еды.
Изделия каменного века обжигались сначала на кострах (вероятная температура обжига 800-900°С), позднее появились специальные обжигательные печи. Расписные изделия (так называемая крашеная керамика) были найдены на обширной территории, включающей ряд Балканских земель и юго-западные районы нашей страны (трипольская культура), Средиземноморья, Ближнего Востока, Средней Азии, Китая. В каждом из этих районов гончарство имело свои местные, локальные особенности. Ярким примером керамического мастерства той поры являются сосуды и небольшие скульптурки, относящиеся к трипольской культуре. Трипольские мастерицы умели отмучивать глину, изделия искусно ленились от руки, без гончарного круга, который появился значительно позднее. Известны свыше 20 видов керамики, изготовляемой из местных глин; выделяются сосуды из тонкой розоватой массы - кувшины с узким горлом, глубокие миски, двойные сосуды, напоминающие по форме бинокль, - расписанные чаще всего белой, черной и красной красками из тонкотертых, естественно окрашенных глин.
Следующий этап развития керамического производства относится к периоду рабовладельческих государств на Древнем Востоке. Важнейшим фактором совершенствования керамического мастерства явилось изобретения гончарного круга (4 тыс. лет. до н.э.), применение которого резко повысило производительность труда и улучшило качество изделий. Гончарным делом стали заниматься мужчины.
Выдающимся достижением керамистов Древнего Востока было также изобретение цветных глазурей. Широко известна в первую очередь архитектурная поливная керамика Ассирии, Вавилона, древнего Ирана. Особенного совершенства достигли иранские глазурованные панно с рельефными многоцветными изображениями, украшавшими стены дворцов и храмов
Высокого развития достигла керамика в Древнем Китае. Расписные изделия, своеобразные треножные сосуды делались еще в 3 тыс. лет. до н.э. в эпоху Яншао. Во 2-1 тыс. лет до н.э. встречается глазурованная посуда и отдельные изделия из высококачественной белой глины -- каолина. В 3-5 веках до н.э. появляются первые фарфоровидные изделия, а в 6-7 веках в эпоху Тан осваивается производство настоящего фарфора. Китайская керамика отличается особенным разнообразием, богатством и самобытностью форм и художественных решений. Изготовлялись чаши, кувшины, вазы, фляги, блюда, коробочки для румян, курительницы, чайники и многие другие изделия, украшавшиеся различными поливами, рельефными и расписными узорами.
Настоящий твердый фарфор был получен в начале 18 века в Германии. Открыл его Иоганн Бетгер в городе Мейсен, на своей фарфоровой мануфактуре. В 1709 году по разработкам ученого Чирнхауза были изготовлены первые образцы фарфоровых изделий, однако сам ученый не дожил до создания и умер в 1708 году..
В настоящее время керамика применяется как материал в промышленности (машиностроение, приборостроение, авиационная промышленность и др.), строительстве, искусстве, широко используется в медицине, науке. В XX столетии были созданы новые керамические материалы для использования в полупроводниковой индустрии и др. областях.
Современные высокотемпературные сверхпроводящие материалы также являются керамикой
Структура
Спеченный керамический материал обычно состоит из двух фаз:
кристаллической и аморфной (стекловидной).
Кристаллическая фаза представляет собой определенные химические соединения, твердые растворы, фазы внедрения.
Аморфная фаза всегда присутствует во всех традиционных керамиках, а также в некоторых видах технической керамики, поскольку в состав данных материалов входит стеклообразующий оксид SiO2. Количество стеклофазы может достигать 60% об. В керамике конструкционного и инструментального назначения наличие стеклофазы недопустимо, т.к. это приводит к деградации прочностных характеристик материала.
Все спеченные керамические материалы содержат поры. Их подразделяют на две группы:
* закрытые поры - не сообщающиеся с окружающей средой.
* открытые поры - сообщающиеся с окружающей средой.
В некоторых видах керамики пористость задается и формируется це-ленаправленно, например в керамических фильтрах. В технологии других керамик, например огнеупорных, допускается определенная пористость, не влекущая за собой заметного снижения эксплуатационных свойств изделий. В технологии прочной керамики конструкционного и инструментального назначения пористость является отрицательным фактором, поскольку она определяет уровень прочностных характеристик изделий.
Пористость и плотность керамик принято характеризовать следующими показателями:
1. Истинная (теоретическая) плотность си , г/см3 - плотность беспористого материала.
2. Кажущаяся плотность ск, г/см3 - плотность материала, содержащего поры.
3. Относительная плотность ск/си .
4. Истинная пористость Пи, - суммарный объем всех пор, выраженный в процентах или долях к общему объему материала.
5. Кажущаяся (открытая) пористость - объем открытых пор, заполняемых водой при кипячении, выраженный в процентах к общему объему материала.
Техническая керамика
Класс технической керамики объединяет большое количество керамических материалов, отличающихся как по химическому составу, так и по назначению. В то же время существуют признаки, общие для всех технических керамик, принципиально отличающие их от традиционных видов керамики:
1. Использование в основном, а для некоторых керамик исключительно искусственно синтезированного сырья (порошков).
2. Применение новых технологий, прежде всего технологий порошковой металлургии.
Следует отметить, что свойства технических керамик, в особенности
механические, в решающей степени зависят от технологии получения исходного сырья, компактирования и спекания изделий. Поэтому материалы одного и того же химического состава, но полученные различными способами, могут иметь качественно разные уровни физико-химических и механических характеристик и самые разнообразные области применения. В связи с этим, последовательность изложения материала будет основана по признаку химического состава керамики и по мере усовершенствования технологических процессов.
3. Керамика на основе силикатов и алюмосиликатов
Силикаты и алюмосиликаты составляют основу очень большого количества технических керамических материалов. Большинство этих керамических материалов в качестве преобладающей фазы содержит двойные или тройные кристаллические вещества - силикаты или алюмосиликаты, образующиеся в системе МgО-А12О3-SiO2.
Таких соединений в этой системе четыре:
1. ЗА12О3М| 2SiO2 - муллит,
2. МgОМ| SiO2 - клиноэнстатит,
3. 2МgОМ| SiO2 - форстерит,
4. МgОМ| 2А12О3М| 5SiO2 - кордиерит.
В соответствии с названием минералов называют и керамику -
муллитовая, муллито-корундовая, клиноэнстатитовая (стеатитовая),
форстеритовая и кордиеритовая.
Муллитовая и муллито-корундовая керамика
Основной кристаллической фазой муллитовой и муллито-корундовой керамики являются муллит ЗА12О3М| 2SiO2 и корунд б-А12О3. Эти керамические материалы называют высокоглиноземистой керамикой. Добавочное количество оксида алюминия вводят обычно с глиноземом или электрокорундом. Таким образом, высокоглиноземистая керамика включает составы с содержанием А12О3 от 45 до 100%.
Диаграмма состояния системы А12О3 - SiO2 представлена на рис.1.
Рис.1. Диаграмма состояния системы SiO2-Al2O3
В зависимости от химического и фазового состава высокоглиноземистую керамику подразделяют на три группы:
1. Муллито-кремнеземистaя (45-70% Аl2O3).
2. Муллито-корундовая (70-95% А1203).
3. Корундовая (95-100% А12О3).
Высокоглиноземистая керамика находит применение в вакуумной технике,
в качестве изоляторов запальных свечей двигателей внутреннего сгорания, для изготовления различных деталей электро- и радиоаппаратуры.
Клиноэнстатитовая керамика
Клиноэнстатитовая керамика имеет в своей основе метасиликат магния MgOМ| SiO2 - клиноэнстатит. Сырьем для производства клиноэнстатитовой керамики является минерал тальк, представляющий собой водный силикат магния. Плотные разновидности талька называют стеатитом. Поэтому клиноэнстатитовая керамика часто называется стеатитовой или просто стеатитом.
Отличительной особенностью стеатита являются малые диэлектрические потери и повышенная по сравнению с фарфором механическая прочность, вследствие чего его применяют как высокочастотный диэлектрик, а благодаря высокой пробивной напряженности и в высоковольтной технике. Плотная малопористая структура стеатита дает возможность использовать его как изолятор для электровакуумной аппаратуры.
Другие виды технической керамики на основе силикатов
Форстеритовая керамика. Форстеритовой называется керамика на основе ортосиликата магния 2МgОМ| SiO2 - форстеритa. Форстеритовая керамика вследствие отсутствия полиморфных превращений не подвержена старению, что является ее большим достоинством.
Плотная спеченная форстеритовая керамика обладает высокими электрофизическими характеристиками. Благодаря высокому коэффициенту
линейного расширения форстеритовая керамика находит применение в
элекровакуумной технике как изолятор на контакте с металлами, главным образом с титаном.
Кордиеритовая керамика. В системе МgО-Al2O3-SiO2 имеется одно
тройное соединение, имеющее формулу 2МgОМ| 2А12О3М| 5SiO2, - кордиерит. Керамика на основе этого соединения называется кордиеритовой.
Теоретический состав кордиерита в %: МgО-13,7; А12О3-34,9; SiO2-51,4.
Спеченная кордиеритовая керамика имеет очень низкий коэффициент термического расширения и, как следствие, высокую термостойкость. Это позволяет применять ее для изготовления дугогасительных камер в высоковольтных выключателях, а также для изготовления термостойкой посуды.
Цельзиановая керамика. Керамику на основе алюмосиликата бария, имеющего формулу ВаОМ| Аl2O3М| 2SiO2 - цельзиана, называют цельзиановой.
Цельзиановая керамика имеет низкие диэлектрические потери, высокое удельное объемное сопротивление и малый коэффициент линейного расширения. Благодаря этим свойствам цельзиановая керамика находит применение для изготовления некоторых радиотехнических деталей.
Литиевая керамика. Керамика на основе алюмосиликатов лития называется литиевой керамикой. Изделия из литиевой керамики изготавливают из литиевых минералов, среди которых преимущественное значение имеет сподумен, а также путем синтеза из глины, кварца и углекислого лития. Изделия можно получать практически всеми способами керамической технологии. Температура синтеза литиевой керамики и спекания изделий составляет 1200-1250°С.
Керамика на основе синтезированных алюмосиликатов лития имеет низкий коэффициент расширения, который обуславливает ее хорошую термостойкость. Также литиевая керамика обладает достаточно высокими электроизоляционными свойствами, благодаря чему ее применяют в производстве некоторых видов изделий для радиотехники, работающих в условиях повышенных или переменных температур, а также других изделий, например воздухоподогревателей, работающих в условиях резких смен температур.
Волластонитовая керамика. Волластонитовую керамику получают из природного минерала волластонита, который отвечает формуле СаОМ| SiO2 (СаО-48,2%, SiO2-51,8%) и представляет собой метасиликат кальция.
Волластонитовая керамика из чистых разновидностей природного волластонита имеет высокий уровень электрофизических характеристик и хорошую термостойкость.
Оксидная техническая керамика
Керамика на основе Al2O3
Керамику, в основном состоящую из оксида алюминия, в соответствии с названием минерала природного происхождения корунд, называют корундовой керамикой. Искусственно изготовленная корундовая техническая керамика содержит не только Al2O3, а в ряде случаев добавки и примеси. Корундовой керамикой называют содержащую 95% и более Al2O3 и корунд является основной кристаллической фазой [1].
Корундовую керамику предназначенную для разных областей техники, в нашей стране называют по-разному. Все марки корундовой керамики отличаются количеством и типом вводимой добавки, по технологии изготовления и свойствами.
В качестве исходных материалов для производства корундовой керамики применяют главным образом безводные формы оксида алюминия, выпускаемые промышленностью в виде технического глинозема и белого электроплавленого корунда. Безводный оксид алюминия Al2O3 имеет несколько кристаллических модификаций. Безусловно установлены б-, в- и г- модификации глинозема, причем б- и г- Al2O3 представляют собой чистый оксида алюминия. (таблица 1)
В природных условиях встречаются только б- форма в виде минералов корунда, рубина, сапфира. б- Al2O3 кристаллизуется в тригональной сингонии и относится к оптически одноосным двупредомляющим веществам. Оптический знак- минус. Двупреломление слабое, и No- Ne=0,008. Спайность у кристаллов отсутствует. Твердость корунда по шкале Мооса- 9, по шкале Роквелла - 90.
Плотность корунда в зависимости от наличия в нем примесей колеблется от 3,98 до 4,01 г/см3
Второй кристаллической-модификацией глинозема является его г-форма.
В природе она не обнаружена и образуется при термической обработке гидратов оксида алюминия, бемита (Al2O3 ·Н2О) и гидраргиллита (Al2O3 ·3Н2О).
При нагревании г- Al2O3 переходит необратимо в б- форму. Переход этот совершается довольно медленно начиная с 1100 - 1200°С и полностью завершается при 1450°С. При переходе г- Al2O3 в б- форму выделяется 32,8 кДж/моль. Переход из г- в б- форму сопровождается объемным сжатием на 14,3%, что имеет весьма важное значение.б- Al2O3 кристаллизуется в кубической сингонии (типа шпинели).
Третья кристаллическая форма оксида алюминия в - глинозем, модификационная форма глинозема, и представляет собой условное обозначение видов алюминатов, отличающихся весьма высокой концентрацией окисида алюминия. При нагревании до температур 1600 - 1700°С в - глинозем переходит в б - Al2O3 с выделением оксида в газообразном состоянии. Показатель преломления в - глинозема, кристаллизующегося в гексагональной системе, колеблется No=1,665-1,680; Ne=1,63-1,65; No-Ne=0,025-0,045. Оптический знак - минус. Присутствие в - глинозема в отожженном корунде понижает механическую прочность, электрофизические свойства и является нежелательным [1].
Технический глинозем (смесь б, в и г- модификаций Al2O3) - один из самых часто используемых видов сырья для производства корундовой и другой видов корундовой керамики. Породы служат сырьем для получения глинозема, нахождение естественных гидратов оксида алюминия, среди которых наибольшее значение имеет боксит, состоящий из трех видов гидратов в разном количестве при преимущественном содержании гидраргиллита (Al2O3 ·3Н2О) и бемита (Al2O3 ·Н2О).
В табл.1 представлены основные физико-механические характеристики спеченной корундовой керамики.
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.
Корундовая керамика широко применяется в самых различных областях. Традиционные сферы ее применения: огнеупорная, химическа 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.
Керамика на основе диоксида циркония
Особенностью диоксида циркония является его полиморфизм. Чистый ZrO2 при комнатной температуре находится в моноклинной фазе и при нагреве испытывает фазовые превращения (рис.2). Переход t-ZrO2-c-ZrO2 имеет диффузионную природу и играет очень важную роль при производстве так называемого частично стабилизированного диоксида циркония. Превращение
m-ZrO2-t-ZrO2 протекает по мартенситному механизму и сопровождается объемными изменениями 5-9%. Такое значительное расширение материала при охлаждении, сопровождающееся растрескиванием, не позволяет получать компактные изделия из чистого ZrO2. По этой причине практическое значение имеют только твердые растворы различных оксидов на основе ZrO2 либо механические смеси с жесткой матрицей, способной стабилизировать высокотемпературные фазы ZrO2 при низкой температуре.
Таблица 2 - Свойства корундовой керамики.
Рис.2. Схема фазовых переходов в чистом диоксиде циркония:
m-, t-, c-ZrO2 - моноклинная, тетрагональная, кубическая модификации ZrO2, соответственно.
Установлено, что ZrO2 способен образовывать твердые растворы типа замещения со многими двух-, трех- и четырехвалентными оксидами. Общим и весьма важным для керамической технологии свойством этих растворов является отсутствие обратимых полиморфных превращений типа m-ZrO2-t-ZrO2 - перехода в чистом ZrO2. Хотя образующиеся твердые растворы не являются термодинамически равновесными при низких температурах, практически они могут существовать при этих температурах, не подвергаясь распаду
Рис.3 приведена равновесная диаграмма состояния системы ZrO2-Y2O3.Следует отметить, что практически соотношение фаз, соответствующее приведенной диаграмме, не реализуется вследствие очень низкой диффузии ионов Zr4+, Y3+, О2-. Высокотемпературные фазы при определенных добавках Y2O3 и режимах охлаждения могут существовать при низких температурах без распада. Линия Т0 представляет собой геометрическое место температур, при которых свободные энергии m-ZrO2 и t-ZrO2
Рис.3. Диаграмма состояния системы одинаковы.
Приведенные интервалы температур весьма условны и очень сильно зависят от скорости охлаждения твердого раствора и размера зерна.
Традиционно керамика на основе ZrO2 применялась в металлургической промышленности для изготовления тиглей для плавки металлов. обожженный глина керамический клиноэнстатитовый
Сегодня циркониевая керамика является одним из наиболее перспективных керамических материалов конструкционного и инструментального назначения и используется в технологии получения деталей газотурбинных и дизельных двигателей, узлов трения, уплотнительных колец насосов, элементов запорной арматуры, форсунок распылительных камер, фильер для протяжки проволоки, режущего инструмента. Также керамика на основе ZrO2 находит применение в медицине для изготовления имплантантов в костные ткани.
Керамика на основе MgO, CaO, BeO, ThO2, UO2
Керамика на основе MgO. Керамика из МgО применяется в производстве огнеупорных изделий, эксплуатируемых в щелочных средах и расплавах. В тиглях из МgО плавят железо, цинк, алюминий, олово, медь, а также тяжелые редкоземельные металлы. Изделия из MgO применяют для футеровки высокотемпературных печей и аппаратов, работающих при температуре до 2000°С на воздухе или в парах щелочных металлов.
Керамика на основе CaO. CaO очень стоек к воздействию расплавов металлов, из него изготавливают тигли, применяемые для плавления цветных металлов, в частности для плавления платины и других металлов этой группы, а также для получения чистого урана.
Керамика на основе BeO. Основная область применения керамики из ВеО - это ядерная энергетика. Это обусловлено тем, что ВеО обладает высоким коэффициентом замедления тепловых нейтронов. Из BeO изготавливают конструкционные элементы в ядерных реакторах. Тигли из ВеО применяются для плавки бериллия, платины, тория, титана, урана и др. Высокая термостойкость позволяет изготавливать из ВеО детали реактивных двигателей. Хорошие диэлектрические свойства ВеО и вакуумная плотность определили его применение в электро- и радиотехнике.
Керамика на основе ThO2. Высокая огнеупорность керамики из ThO2 позволяет использовать изделия из нее при температурах нагрева до 2700°С. В тиглях из ТhO2 плавят осмий, платину, родий, иридий и другие тугоплавкие металлы. ThO2 используют также в ядерной энергетике. Так как ThO2 радиоактивен и токсичен, то необходимо при работе с ним соблюдать соответствующие правила техники безопасности.
Керамика на основе UO2. Диоксид урана получил широкое применение как реакторное топливо в виде тепловыделяющих элементов в реакторах различных типов. UO2 может быть использован либо в диспергированном виде в керамических или металлических матричных системах, либо в виде изделий - дисков, брусков, стержней, таблеток и др.
Безоксидная техническая керамика
Безоксидными керамиками называются поликристаллические материалы на основе соединений неметаллов III-VI групп периодической системы элементов, исключая кислород, друг с другом и так называемыми переходными металлами, обладающими недостроенными электронными слоями.
По своей кристаллической структуре безоксидные керамики весьма разнообразны и образуют два основных класса:
1. Металлокерамика. Данный класс образуют соединения указанных выше неметаллов с переходными металлами, имеющие структуру фаз внедрения.
2. Неметаллическая керамика. Этот класс объединяет соединения B,C, N, Si, халькогенов (кроме О) друг с другом, а также с некоторыми переходными металлами. Данные соединения обладают сложной кристаллической структурой с ковалентным типом межатомной связи.
Металлокерамика
Металлокерамика включает соединения, имеющие структуру фаз внедрения: карбиды и нитриды Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W.
Условие образования фазы внедрения определяется правилом Хэгга:
rX:rМе<0,59
где rX - радиус атома неметалла, rМе - радиус атома металла.
В этих структурах атомы металла образуют одну из типичных для металлов кристаллических решеток - кубическую (гранецентрированную или объемноцентрированную) или гексагональную. Атомы неметалла находятся в октаэдрических или тетраэдрических пустотах между металлическими атомами. Фазы внедрения обладают металлическими свойствами: высокой электропроводностью, которая уменьшается с ростом температуры, высокой теплопроводностью, имеют металлический блеск. Фазы внедрения занимают промежуточное место между твердыми растворами внедрения и химическими соединениями. Главное отличие фаз внедрения от твердых растворов состоит в том, что последние образуются при значительно меньших концентрациях углерода и азота, например, феррит и аустенит, и имеют кристаллическую решетку металла, тогда как фазы внедрения образуют решетку, отличную от решетки металла. В этом смысле фазы внедрения можно считать разновидностью химических соединений. В то же время фазы внедрения имеют широкие области гомогенности, например в TiC может содержаться от 20 до 50% мол. углерода, что нехарактерно для химических соединений.
Неметаллическая безоксидная керамика
К неметаллическим безоксидным керамикам относятся материалы на основе боридов ZrB2, CrB2, TiB2, карбидов B4C, SiC и некоторых переходных металлов, нитридов BN, Si3N4, AlN, силицидов, фосфидов, арсенидов и халькогенидов (кроме оксидов). Керамики на основе карбидов переходных металлов, обладающих структурой химических соединений, напри-мер Fe3C, а также на основе фосфидов, арсенидов и халькогенидов в данном пособии не рассматриваются по причине ограниченного применения в современной технике.
В настоящее время наиболее перспективной для конструкционного применения считается керамика на основе SiC, Si3N4 и AlN - соединений с большой долей ковалентной связи, кристаллы которых характеризуются значительными напряжениями Пайерлса, вследствие присущего их кристаллической решетке сопротивления искажению связей. В таких кристаллах перемещение дислокаций затруднено, потому данные соединения сохраняют свою прочность до очень высоких температур. Наиболее целесообразным считается применение SiC, Si3N4 и AlN вместо металлов в двигателестроении. Это связано с тем, что изготовление проточной части газотурбинного двигателя (ГТД) из керамики и повышение его рабочей температуры до 1400°С и выше позволит увеличить КПД с 26 до 45%. При использовании керамики в дизельном двигателе его можно сделать неохлаждаемым, снизить массу и повысить экономичность.
Целесообразность применения керамики для двигателестроения
объясняется не только ее высокой жаропрочностью, но и тем, что благодаря ее более высокой, по сравнению с металлами, коррозионной стойкости можно использовать низкосортное топливо. Например, согласно оценкам Института НАТО по изучению перспективных проблем, ежегодная экономия за счет применения в США керамических автомобильных ГТД составит 7млрд долларов только на импортируемой нефти, а в целом экономия может достичь 50млрд долларов. Применение керамики для изготовления деталей двигателей снижает их стоимость, что обусловлено сравнительно низкой стоимостью керамики и уменьшает расход никеля, кобальта, хрома и других остродефицитных дорогих металлов.
Примеры использования керамических материалов в электротехнике
Термисторы
Термистор -- это чувствительный к изменениям температуры элемент, изготовленный из полупроводникового материала. Он ведет себя как резистор, чувствительный к изменениям температуры. Термин «термистор» -- это сокращение от термочувствительного резистора. Полупроводниковый материал -- это материал, который проводит электрический ток лучше, чем диэлектрик, но не так хорошо, как проводник.
Терморезисторы на базе смешанных оксидов переходных металлов называются термисторами. Они бывают с положительным температурным коэффициентом сопротивления и с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (PTC или NTC).
В основе такой детали -- керамический полупроводник, изготовленный путем спекания на воздухе многофазной структуры из гранулированных нитридов и оксидов металлов.
Спекание осуществляется при температуре порядка 1200°С. В данном случае переходными металлами являются: никель, магний, кобальт.
Удельная проводимость термистора зависит прежде всего от степени окисления и от текущей температуры получаемой керамики, а дополнительное изменение проводимости в ту или иную сторону достигается введением небольшого количества добавок в виде лития или натрия.
Термисторы миниатюрны, их изготавливают в форме бусинок, дисков или цилиндров диаметром от 0,1 мм до 4 см, с проволочными выводами. К платиновым проволокам прикрепляют бусинку, затем бусинку покрывают стеклом, которое спекают при 300°С, либо герметизируют бусинку внутри стеклянной трубочки.
У дисковых -- на диск наносят с двух сторон металлическое покрытие, к которому припаивают выводы. Данные керамические детали часто можно встретить на печатных платах очень многих электротехнических устройств, а также в составе термодатчиков.
Подобно термометрам сопротивления термисторы используют изменения величины сопротивления в качестве основы измерений. Однако сопротивление термистора обратно пропорционально изменениям температуры, а не прямо пропорционально. По мере увеличения температуры вокруг термистора, его сопротивление понижается, а по мере понижения температуры его сопротивление увеличивается.
Варисторы
Варистор - это радиоэлектронный элемент, применяемый в цепях защиты электронных приборов от перенапряжений в сети. Он представляет собой полупроводниковый резистор, имеющий нелинейную вольт-амперную характеристику. Сопротивление варистора изменяется от сотен Мом до десятков Ом в зависимости от приложенного напряжения. Полупроводниковый резистор включается параллельно с предохранителем в цепи питания электронных устройств для демпфирования воздействия всплесков напряжения в сети.
Варисторы изготавливают из порошков оксида цинка и карбида кремния на основе технологии, называемой «керамической». Технология заключается в прессовании элементов из порошков с обжигом их в высокотемпературной печи и покрытием корпуса электроизоляционным и влагостойким лаком.
Статьи
КЕРАМИКА ИЗ Al2O3 ДЛЯ ПОДЛОЖЕК ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
Керамика на основе оксида алюминия обладает хорошими электрофизическими и механическими свойствами. Она широко применяется в качестве материала для подложек интегральных микросхем.
Подложка выполняет одновременно функцию канализирующего и несущего энергию элемента, на котором в дальнейшем будут сформированы линии передачи энергии, и методами пайки монтированы навесные элементы.
Одними из важнейших характеристик для материала, применяемого в качестве подложки, являются прочность и степень шероховатости поверхности. Физико-механические характеристики подложки оказывают значительное влияние на параметры почти всех элементов, формируемых на ее поверхности. Так, например, при изготовлении тонкопленочных конденсаторов во избежание электрического пробоя диэлектрика, значение степени шероховатости должно быть минимальным.
Целью настоящей работы является изучение влияния концентрации добавки эвтектического состава в системе Al2O3-ZrO2-Y2O3, введенной в материал-матрицу, на степень шероховатости поверхности и прочность при изгибе.
На полученных образцах были проведены эксперименты по определению значений механических характеристик, в зависимости от концентрации добавки Al2O3-ZrO2-Y2O3, результаты которых представлены в таблице 1.
Также были сняты профилограм-мы для определения степени ше-роховатости поверхности (рис.1).
Увеличение концентрации добавки влияет на степень шероховатости поверхности, это может быть связано с тем, что при концентрации равной 3%, добавка распределяется наиболее равно-мерно и заполняет собой стыки, что в свою очередь приводит к более плотной структуре.
Был получен материал, кото-рый обладает следующими характеристиками: степенью шероховатости (RZ=0,39) уизг=600МПа, за счет введения в материал-матрицу добавки Al2O3-ZrO2-
Y2O3 в количестве 3% .
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВАРИАНТЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВАКУУМПЛОТНОЙ КЕРАМИКИ
В качестве исходных компонентов для производства вакуумплотной корундовой керамики применяют главным образом безводные формы оксида алюминия, выпускаемые промышленностью в виде технического глинозема и белого электроплавленного корунда. Выбор исходного сырья для изготовления вакуумплотной корундовой керамики марки ВК94-1 определяется из технических и экономических соображений.
Между собой марки Al2O3 существенно различаются содержанием высокотемпературной и низкотемпературной модификации (б- и г-форм), а также наличием примесей. Все марки технического глинозема, используемые для изготовления корундовой керамики и выпускаемые промышленностью с химическим составом. Керамика вакуумплотная требуют обязательной переработки (проведения предварительного обжига глинозема).Обязательная переработка технического глинозема преследует следующие цели:
1. Перевод г-формы Al2O3 в устойчивую б-форму, что приводит к снижению усадки изделий при обжиге с 22 до 14 линейных процентов, или с 53 до 37 объемных процентов. Плотность кристаллической решетки г-Al2O3 меньше, чем у б-Al2O3, поэтому этот переход сопровождается объемной усадкой, которая равна 14,3 %. б-Al2O3 кристаллизуется в кубической сингонии;
2. Произвести укрупнение мельчайших монокристаллов б-Al2O3, находящихся в техническом глиноземе, что впоследствии приведет к увеличению плотности создаваемого керамического каркаса.
В настоящее время при производстве вакуумплотной керамики наибольшее распространение получили спековая и стекольная технологии. Принципиальное отличие стекольной технологии от спековой заключается в отсутствии стадии предварительного синтеза материала.
В ряде случаев требуется предварительно провести варку стекла из исходных компонентов - минерализаторов.
Установлено, что при реализации стекольной технологии, независимо от указанного выше способа, не удалось добиться равномерного распределения минерализаторов в объеме оксида алюминия, о чем свидетельствуют темные включения в объеме образцов.
Перед спеканием заготовки формовались статическим прессованием. Перед измерением характеристик образцы шлифовали по плоскостям. В отличие от образцов, полученных по стекольной технологии, все керамические образцы, полученные по спековой технологии, однородны и не имеют видимых включений.
Полученные результаты свидетельствуют, что максимально плотная керамика получена в рамках спековой технологии при реализации следующих технологических режимов:
- температура синтеза 1500 °С;
- температура спекания 1550 °С, что на 150 - 200 °С ниже температуры спекания, описанной в литературе;
- введение минерализаторов осуществляется в виде измельченного спека.
Необходимо отметить, что ранее керамика ВК94-1 была известна под названием 22ХС. В определенных видах устройств техники СВЧ она по-прежнему незаменима.
В результате проведенной работы разработаны способы получения вакуумплотной керамики, позволяющие удовлетворить потребность отрасли электроизоляционных материалов, применяемых в радиоэлектронике.
Список используемых источников
1. Сматренин С.В., Слосман А.И. Техническая керамика: Учебное пособие. - Томск: Изд-во ТПУ, 2004.-75 с.
2. Briegleb F., Geuther A. - Libigs Ann., 1962, 123,238
3. Андреева Т.В. и др. / Теплофизика высоких температур. - 1964. - С.308.
4. Зырянов В.В. Механический синтез сложных оксидов // Успехи химии. 2008. Т.77, №2. С.107-137
5. Гаршин А.П., Гропянов В.М., Зайцев Г.П., Семенов С.С. Машино-строительная керамика. - СПб: Изд-во СпбТУ, 1997. - 726 с.
6. Керамические материалы / Под ред. Г.Н. Масленниковой. - М.:Стройиздат, 1991. - 320 с.
7. Семченко Г.Д. Конструкционная керамика и огнеупоры. - Харьков: Штрих, 2000, - 304 с.
8. Стрелов К.К., Кащеев И.Д. Теоретические основы технологии огнеупорных материалов. - М.: Металлургия, 1996. - 332 с.
9. Химическая технология керамики и огнеупоров / Под ред. П.П. Будникова. - М.: Стройиздат, 1972. - 551с.
10. Шевченко В.Я. Введение в техническую керамику. - М.: Наука, 1993.- 112 с.
11. Шевченко В.Я., Баринов С.М. Техническая керамика. - М.: Наука, 1993. - 187 с.
12. Успехи в химии и химической технологии. ТОМ XXX. 2016. No 7 130-131с.
13. Физическая мезомеханика 19 3 2016г 58-68 стр.
14. ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. 2017. No 4 118-122 стр.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Исторические сведения о возникновении керамики, область ее применения. Современные технологии керамических материалов. Производство керамических материалов, изделий в Казахстане, СНГ и за рубежом. Производство и применение стеновых и облицовочных изделий.
курсовая работа [134,7 K], добавлен 06.06.2014Исторические сведения о возникновении керамических материалов, область их применения. Основные физико-химические свойства керамики, применяемые сырьевые материалы. Общая схема технологических этапов производства керамических материалов, ее характеристика.
курсовая работа [74,2 K], добавлен 02.03.2011Технология различных видов корундовой керамики. Влияние внешнего давления и добавок на температуру спекания керамики. Физико-механические и физические свойства керамики на основе диоксида циркония. Состав полимерной глины Premo Sculpey, ее запекание.
курсовая работа [2,1 M], добавлен 27.05.2015Изучение понятия, видов и свойств керамических материалов и изделий. Характеристика сырья и процесса производства керамических изделий. Исследование использования в строительстве как стеновых, кровельных, облицовочных материалов и заполнителей бетона.
реферат [17,6 K], добавлен 26.04.2011Классификация и производство керамических изделий и материалов, основные технологические виды: терракота, майолика, фаянс, каменная масса и фарфор. История развития и образование международной Академии гончарного искусства в Женеве. Биеннале керамики.
реферат [22,6 K], добавлен 23.12.2010История гончарной керамики. Технология производства керамических изделий. Сырьё для керамических масс. Прозрачные керамические материалы, особенности их структуры. Производство каменной керамической посуды в XVI в. Виды современных глиняных изделий.
презентация [3,0 M], добавлен 11.02.2011Понятие и способы изготовления стеклянных изделий, их классификация и типы, применяемые методы и материалы. История керамики и общее описание изготавливаемого изделия, оборудование. Особенности применения стеклянных и керамических изделий в оформлении.
курсовая работа [299,6 K], добавлен 17.11.2013Виды керамики, характеристика материалов, используемых для формования керамических изделий. Приготовление керамической массы. Полусухое и гидростатическое прессование. Различные варианты вибрационного формования. Специфика применения шликерного литья.
реферат [678,6 K], добавлен 13.12.2015Процессы изготовления керамических материалов. Методы получения порошков. Корундовые керамики модифицированные соединениями хрома. Содержание порошка в образцах керамики на основе глинозема, термограмма. Особенности измерения микротвердости образцов.
курсовая работа [818,9 K], добавлен 30.05.2013Изучение технологии изготовления керамики - материалов, получаемых из глинистых веществ с минеральными или органическими добавками или без них путем формования и последующего обжига. Этапы производства: формовка изделия, нанесение декора, сушка, обжиг.
реферат [21,2 K], добавлен 03.02.2011Анализ существующих технологических процессов алмазно-абразивной обработки напылённых покрытий и технической минералокерамики. Физико-механические свойства керамических материалов. Влияние технологических факторов на процесс обработки напылённой керамики.
дипломная работа [4,0 M], добавлен 28.08.2011Исследование особенностей гончарного производства. Анализ состава массы, употребляемой для выделки керамических изделий. Обзор процесса подготовки глины. Характеристика конструкции и принципа работы гончарного круга. Обжиг и сушка керамических изделий.
презентация [8,4 M], добавлен 23.03.2016Керамика на основе ZrO2: структура и механические свойства. Керамика на основе ультрадисперсных порошков. Технология получения керамических материалов. Метод акустической эмиссии. Структура, фазовый состав и механические свойства керамики ZrO2.
дипломная работа [1,2 M], добавлен 04.08.2012Основные виды керамики: майолика, фаянс, каменная масса и фарфор. Производство санитарно-технических и бытовых изделий из тонкой керамики. Технология производства технической керамики. Способы декорирования полуфарфора, фарфоровых и фаянсовых изделий.
реферат [723,1 K], добавлен 18.01.2012Анализ современного состояния научных разработок и рынка в сфере производства керамики и изделий из нее. Построение зеленой цепи поставок завода "Керама Марацци". Разработка управленческих решений по повышению эффективности цепи поставок, их эффективность
курсовая работа [50,7 K], добавлен 14.12.2014Методы производства композиционных ультрадисперсных порошков: способы формования, реализуемые при спекании механизмы. Получение и применение корундовой керамики, модифицированной допированным хромом, оксидом алюминия, а также ее технологические свойства.
дипломная работа [1,6 M], добавлен 27.05.2013Исследование химического диспергирования алюминиевого сплава; влияние концентрации щелочи на структуру диспергированных порошков и физико-механические свойства керамических материалов. Разработка технологической схемы спекания; безопасность и экология.
дипломная работа [2,9 M], добавлен 27.01.2013Высокопрочные керамики на основе оксидов - перспективные материалы конструкционного и инструментального назначения. Свойства оксидов цинка и меди. Допированные керамики. Основы порошковой металлургии. Технология спекания. Характеристика оборудования.
курсовая работа [923,2 K], добавлен 19.09.2012Подготовка стальных труб к нанесению стеклоэмали. Технологический процесс получения эмали. Обжиг стеклоэмалевого покрытия. Сырье для производства шамотных огнеупоров. Технология изготовления шамота. Декорирование керамических изделий по методу деколи.
отчет по практике [1,5 M], добавлен 11.07.2015Классификация композиционных материалов, их геометрические признаки и свойства. Использование металлов и их сплавов, полимеров, керамических материалов в качестве матриц. Особенности порошковой металлургии, свойства и применение магнитодиэлектриков.
презентация [29,9 K], добавлен 14.10.2013
