Свойства инструментальной керамики с добавками ультрадисперсных оксидов
Дипломная работа - Разное
Другие дипломы по предмету Разное
В°тическому" сжатию, если они погружены в объем свободно насыпанных электропроводящих частиц, которые служат одновременно электропроводящей средой внутри пресс-формы и средой, передающей давление. Общепринято, что приложение механической нагрузки способствует удалению пор из спекаемого тела и ускорению диффузии. Перенос теплоты от матрицы к заготовке очень эффективен в этом процессе, поскольку матрица сама по себе (и (или) электропроводящая среда, передающая давление) действует как нагревательный элемент. Однако наиболее распространено мнение о том, что высокая скорость усадки обусловлена импульсами постоянного тока большой мощности. Традиционно методы электроразрядного спекания используют очень высокие скорости нагрева (до 600С/мин и более) и непродолжительные изотермические выдержки (несколько минут), чтобы получить образцы с плотностью, близкой к теоретической, при относительно невысоких температурах, обычно на несколько сот градусов ниже, чем в случае нормального ГП. Эти факторы благоприятны для спекания нанодиперсных порошков, поскольку факторы, влияющие на рост зерен, сведены к минимуму. Однако из представленных далее экспериментальных данных видно, что рост зерен подавить удается не всегда.
Наибольшее выделение тепла происходит на контактах пуансон - образец как в электропроводящей, так и непроводящей системах. Резистивный нагрев внутри образца пренебрежимо мал и относительно мал в графитовых пуансонах. Как результат, максимальная температура развивается в области контакта образца и пуансона на стадии нагрева. На стадии выдержки зона максимальной температуры смещается в центр образца. Тепло распространяется от пуансонов вглубь образца в соответствии с его теплопроводностью, при этом формируется температурный градиент поперек образца с разницей температур в центре пресс-формы и на поверхности как минимум 100С.
1.3 Повышение физико-механических свойств корундовой керамики при введении диоксида циркония
Уникальной особенностью диоксида циркония является его существование в разных кристаллических модификациях в различных температурных интервалах. От температуры плавления 27000С до 23500С существует фаза с кубической структурой. Ниже этой температуры, до ~ 12000С равновесной является тетрагональная фаза, а при температуре ниже ~ 10000С - моноклинная. Превращение тетрагональной фазы в моноклинную имеет мартенситный характер, происходит в интервале температур и сопровождается значительным объемным эффектом. Моноклинная фаза менее плотная, чем тетрагональная, и объем материала при этом превращении увеличивается до 6%, что приводит к его разрыхлению. При нагревании моноклинная фаза в интервале температур 1050-12000С переходит в тетрагональную с аналогичным уменьшением объема.
Наличие обратимого полиморфного превращения ZrO2 используется для создания в обжигаемой керамике микротрещиноватой структуры благодаря скачкам объема как при нагреве сырца, так и при охлаждении уже обожженной структуры.
Несмотря на то, что ниже температуры ~ 1000 0С термодинамически стабильной фазой является моноклинная фаза, микрочастицы диоксида циркония размером меньше 0,03 мкм (критический размер) могут существовать вплоть до комнатной температуры как метастабильная фаза в виде тетрагональных кристаллов. Если в матричной фазе керамики специальными приемами технологии достигают их равномерного распределения, то критический размер несколько повышается и составляет от менее 0,1 мкм до более 1 мкм. Это объясняется тем, что вследствие объемного ограничения матричной фазы затрудняется тетрагонально-моноклинное превращение частиц ZrO2, сопровождающее объемное расширение.
Исследованиями по упрочнению керамики, основанному на тетрагонально-моноклинном превращении в диоксиде циркония, установлено, что из керамических материалов с повышенным сопротивлением разрушению наиболее перспективны материалы, содержащие тонкодисперсные частицы ZrO2 в керамической матрице. Эффект повышения прочностных характеристик объясняется двумя механизмами: первый связан с формированием субмикронных трещин в матрице при спекании керамики, что является результатом фазового перехода частиц ZrO2 при охлаждении обожженных материалов и поглощением энергии при распространении разветвляющейся трещины [9], второй основан на фазовом переходе метастабильной тетрагональной модификации ZrO2 в моноклинную перед вершиной развивающейся в службе трещины [9]. Как правило, в реальном материале одновременно действуют оба механизма.
Тетрагонально-моноклинное превращение мелкодисперсных частиц ZrO2 применяется как технологический прием для создания микротрещиноватой структуры при изготовлении керамики. В этом случае характеристики керамики повышаются в результате рассеивания упругой энергии развивающейся трещины в образовавшихся микротрещинах. При этом важным фактором является формирование в структуре материала очень мелких, равномерно распределенных трещин.
В работе [9] изучено влияние диоксида циркония на кристаллизацию корунда и показано, что уже концентрация ZrO2 - 5-7,5% эффективно препятствует росту зерен корунда в композите, повышая тем самым его прочностные характеристики. Автором изучалось влияние добавки ZrO2 на предел прочности при изгибе, трещиностойкость и термостойкость композита Al2O3 - ZrO2. Наиболее высокие показатели этих свойств наблюдаются при введении в корундовую матрицу 10-15% ZrO2. Дальнейшее увеличение концентрации ZrO2 до 20% приводило к снижен