Композиционные материалы в системе AlN-Al2O3-ZrO2-ZrN
Дипломная работа - Разное
Другие дипломы по предмету Разное
ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА
КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ В СИСТЕМЕAl2O3-ZrO2-ZrN
Введение
Одним из перспективных материалов является диоксид циркония, твердые растворы которого с оксидами II-IV группы характеризуется высокой огнеупорностью низкой теплопроводностью в широком диапазоне температур. При изготовлении плотной керамики из диоксида циркония применяют традиционные способы, наиболее близкими из которых являются технологические приемы, применяемые при изготовлении корундовых изделий. Для получения прочных и термостойких изделий одними из важнейших являются следующие задачи:
стабилизация высокотемпературной кубической модификации диоксида циркония для предотвращения полиморфных переходов при эксплуатации изделий;
получение, по возможности, мелкокристаллической структуры материала;
получение высокоплотного композиционного материала с минимальной пористостью и высокими механическими свойствами.
Известно, что нитриды обладающие низкой адгезией к металлам и оксидам и проводящие электрический ток перспективны в качестве добавок к керамике на основе ZrO2.
Добавки нитридов, особенно в ультрадисперсном состоянии способны повысить механические, трибологические характеристики, а также дают возможность получить материалы с повышенным уровнем тепло- и электропроводности.
В данной работе предпринята попытка получения плотных, износостойких материалов на основе диоксида циркония с добавлением нитрида алюминия и нитрида циркония.
1 Аналитический обзор
керамический композиционный материал цирконий алюминий
1.1 Система цирконий-кислород
Диоксид циркония представляет собой порошок от белого до желтого с сероватым оттенком цвета, используемый для изготовления технической керамики, является искусственным материалом, так как природные цирконийсодержащие минералы и породы сильно загрязнены посторонними включениями [1].
В литературе сообщалось о существовании следующих фаз в системе цирконий-кислород. Твердый раствор кислорода в a-Zr, твердый раствор кислорода в b-Zr, Zr4O, Zr3O, Zr2O, ZrO, Zr2O3, ZrO2, ZrO3, твердый раствор Zr в ZrO2.
Получены убедительные доказательства существования оксидов Zr4O, Zr3O, Zr2O, которые рассматриваются как гексагональные структуры.
Летучее соединение ZrO образуется при реакции металлического циркония с диоксидом циркония.
Оксид Zr2O3 был получен в виде зеленоватого порошка при сгорании ZrH2.
Наиболее важным и хорошо изученным соединением является диоксид циркония ZrO2, обладающий развитым полиморфизмом. Сообщалось о существовании следующих форм диоксида циркония: моноклинной, тетрагональной, кубической, метатетрагональной, низкотемпературной кубической, тригональной, высокотемпературной моноклинной, стеклообразной. В настоящее время общепризнанно существование трех полиморфных форм: моноклинной, тетрагональной и кубической.
23002 D ZrO2 D ZrO2 (1)
мон. 1000 тетр.2300 куб.
Диаграмма состояния системы цирконий-кислород приведена на рисунке 1.
Моноклинная форма имеет следующие параметры кристаллической решетки:
а = 5,1477А;= 5,2030 A; = 5,3156 A;
b = 9923;
относится к пространственной группе Р21/с с четырьмя молекулами ZrO2 в элементарной ячейке.
Рисунок 1 - Диаграмма состояния системы цирконий - кислород.
Рентгеновская плотность Dх = 5852 кг/м3
Пикнометрическая плотность 5680 кг/м3
Микро твердость 10000 МПа
Модуль Юнга 180 ГПа
В интервале температур от 1000 до 1200С бадделеит переходит в тетрагональную форму, при этом происходит объемное сжатие на 7,7%.При охлаждении до температуры около 1000С совершается обратный переход из тетрагональной в моноклинную форму, но уже с объемным расширением на 7,7%.
По данным термографических исследований скорость нагревания сильно влияет на температуру, при которой наблюдается максимальная скорость превращения. В этот момент количество диоксида циркония, перешедшего в тетрагональную модификацию, составляет 40-50%.
При скорости нагрева 10С в минуту переход сопровождается эндотермическим эффектом при 1160С. Этот переход полностью обратим, но обратный переход происходит при более низких температурах (960С при той же скорости охлаждения). Примеси, условия получения материала и тепловая история могут в значительной мере изменять температурный интервал перехода. Показано, что полиморфные превращения моноклинного диоксида циркония (m- ZrO2) в тетрагональный диоксид циркония (t-ZrO2) являются бездиффузионными мартенситовыми.
Количество дефектов, препятствующих перемещению дислокаций перемещения, влияет на температуру и кинетику процесса.
Тетрагональная модификация диоксида циркония при отсутствии гафния как примеси имеет примитивную тетрагональную ячейку с параметрами а=5,09 А и с=5,18А. Кроме высокотемпературной области тетрагональная фаза может существовать в интервале 0-500С, когда она получается из легко разлагающихся солей циркония. При нагревании до 700-800С или длительном хранении низкотемпературная тетрагональная фаза необратимо переходит в моноклинную форму.
Тетрагональная фаза диоксида циркония может существовать при значительной дефектности по кислороду вплоть до ZrO1,7 при 1800С.
Сохранить тетрагональную фазу в чистом диоксиде циркония путем закалки не удается.
Вопрос о стабилизации