Geum.ru

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
необходинмые физико-механические свойства.
Техническая керамика включает искусственно синтезированнные 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 керанмике могут
присутствовать кристаллическая, стекловидная и газонвая фазы.
Кристаллическая фаза представляет собой определенные хинмические 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
стеклообранзующие 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 нежелантельно, так как снижается механическая прочность
материала;
Большинство видов специальной технической керамики обландает 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 (конрунд),
ZrO2, MgO, СаО, ВеО, ThO2, UO2. Структура
керамики однофазная поликристаллическая. Кроме кристаллической фазы может
содержаться небольшое количество газов (поры) и стеклонвидной 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 прочнностью при
растяжении или изгибе; более прочными являются мелко кристаллические структуры,
так как при крупнокристаллинческом строении на границе между кристаллами
возникают значинтельные внутренние напряжения.
                              
     
Рис.2. Зависимость потери     массы оксидных керамик в вакууме (p = 0,013 Па) от температуры:
1 Ц MgO;     2 Ц Al2O3; 3 Ц ZrO2 (стабилизованная CaO); 4 Ц BeO;     5 Ц 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 окисленния.
     Керамика на основе А12О3 (корундовая) обладает
высокой прочнностью, которая сохраняется при высоких температурах, химинчески
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 конвейнеров, детали насосов,
свечи зажигания в двигателях внутреннего сгорания. Керамику с плотной
структурой используют в качестве вакуумной, пористую - как термоизоляционный
материал. В конрундовых тиглях проводят плавление различных металлов, оксиндов,
шлаков. Корундовый материал микролит (ЦМ-332) по свойнствам превосходит другие
инструментальные материалы, его плотнность 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 2000н-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 аппарантуры и т. д.
     Керамика на основе оксида бериллия отличается высокой теплонпроводностью,
что сообщает ей высокую термостойкость. Прочнностные свойства материала
невысокие. Оксид бериллия обладает способностью рассеивать ионизирующее
излучение высоких энернгий, 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 радионактивна. Эти виды керамики
применяют для изготовления тиглей для плавки родия, платины, иридия и других
металлов, в конструкнциях электропечей (ThO2), для тепловыделяющих
элементов в энергетических реакторах (UO2).
Основные свойства керамики на основе чистых оксидов привендены в табл.1.
     
Оксиды 1
Температура плавления, оС
Плотность (Теоретическая)   кг/м3
Предел прочности, МПаМодуль упругости, ГПаТвёрдость по Моосу
Коэффициент линейного   расширения, α, 10-6 с-1
Коэффициент теплопро-водности   2, Вт/(мК)
Удельное электрическое   сопротивление (объёмное), Омсм
Стойкость к тепло-
вому удару
Стойкость
к эрозии
При растяженииПри изгибеПри сжатии
Al2O3
20503 990260150300038298,4
36,2-6,08
(100-1600 оС)
1016
ВысокаяВысокая
ZrO2
27005 60015023021001727-87,7
1,95-2,44
(100-1400 ос)
104
(1000 оС)
Низкая
BeO25803 020100130800310910,6
218,6-151,1
(100-1600 оС)
1014
ВысокаяСредняя
MgO28003 58010011014002145-615,6
34,4-6,57
(100-1600 оС)
1015
Низкая
CaO25703 350-80--4-513,8
13,8-8,37
(100-400 оС)
1014
ThO30509 690100-1500140710,2
10,4-3,34
(100-1000 оС)
1013
НизкаяВысокая
UO2
276010 960--980164,5610,5
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) нкарбиды, 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 отношеннию к
агрессивным средам. Материалы обладают высокой хрупнкостью. 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 кремниян - карборунд (SiC). Он
обладает высокой жаростойкостью (1500 - н1600 ОС), высокой
твердостью, устойчивостью к кислотам и ненустойчивостью 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 Омм). они износостойки, тверды, стойки к окислению. В технике
полунчили 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 испольнзуют 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 высокотермонстойкими
материалами, имеют низкие теплопроводность и электронпроводимость. При обычной
температуре это изоляторы, а при высоких температурах - полупроводники. С
повышением темпенратуры коэффициент линейного расширения и теплоемкость
увеличиваются. Твердость и прочность этих нитридов меньше, чем тверндость и
прочность карбидов и боридов. В вакууме при высоких температурах они
разлагаются. Они стойки к окислению, действию металлических расплавов.
     Нитрид бора α-BN - лбелый графит - имеет гексагоннальную,
графитоподобную структуру. Это мягкий порошок, стойкий к нейтральной и
восстановительной атмосфере, испольнзуется 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 внутнреннего сгорания (головки блока
цилиндров, поршни и др.), стоек к коррозии и эрозии, не боится перегрева
теплонагруженных деталей.
     Силициды отличаются от карбидов и боридов полупроводниконвыми свойствами,
окалиностойкостью, они стойки к действию кислот и щелочей. Их можно применять
при температуре 1300-н1700 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 антифрикнционные 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 рандиации, 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, ГПаТвёрдость по Моосу
Коэффициент линейного   расширения, α, 10-6 с-1
Коэффициент   теплопро-водности 2, Вт/(мК)
При растяженииПри изгибеПри сжатии
Карбит   кремния
SiC
26003200155-22503949,2-9,55,216,7 (200-1400)
Диборит   титана
TiB2
298045201402461350--8,1-
Диборит   циркония
ZrB2
30406090-----6,88-
Нитрит   бора BN лбелый   графит23502340
50-110 (25);
0,7-1 (1000)
50-110500-600
8,65 (25);
1,16 (1000)
1-27,51
15-12,3
(300-100)
Нитрид   кремния
Si3N4
1780-18203200-160-317-2,7530
Дисилицид   молибдена
MoSi2
20306240281 (980)437 (980)
1130 (20);
340 (1400)
430-8,348,5 (900)
Примечание. В скобках указана температура применения,   оС

Таблица 2. Свойства бескислотной керамики.