Керамические композиционные материалы реферат

Обновлено: 05.07.2024

* Данная работа не является научным трудом, не является выпускной квалификационной работой и представляет собой результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала при самостоятельной подготовки учебных работ.

Тема: Композиционные материалы.

Виды композитных материалов

Композитные материалы на металлической основе

Композитные материалы на неметаллической основе

Композиционными называют сложные материалы, в состав которых входят сильно отличающиеся по свойствам нерастворимые или малорастворимые один в другом компоненты, разделённые в материале ярко выраженной границей. Композиционным материалам (КМ) можно также дать следующее определение: это материалы, представляющие собой твёрдое вещество, состоящее из матриц и различных наполнителей, частицы которых особым образом расположенные внутри матрицы, армируют её. Композиционный материал должен обладать свойствами, которыми не может обладать ни один из компонентов в отдельности. Лишь только при этом условии есть смысл их применения.

Все КМ можно разделить на два вида: естественные и искусственные. Примером естественных КМ могут служить стволы и стебли растений (волокна целлюлозы соединены пластичным лигнином), кости человека и животных (тонкие прочные нити фосфатных солей соединены пластичным коллагеном), а также эвтектические сплавы.

Основой матрицы КМ могут служить металлы или сплавы (КМ на металлической основе), а также полимеры, углеродные и керамические материалы (КМ на неметаллической основе).

Роль матрицы в КМ состоит в придании формы и создании монолитного материала. Объединяя в одно целое армирующий наполнитель, матрица участвует в обеспечении несущей способности композита. Она передаёт напряжения на волокна и позволяет воспринимать различные внешние нагрузки: растяжение, сжатие, изгиб, удар. Матрица предохраняет наполнитель от механических повреждений и окисления. Выбором матрицы определяется температурная область применения КМ. Рабочая температура деталей из КМ повышается при переходе от полимерной матрицы к металлической, а далее – к углеродной и керамической.

КМ с комбинированными матрицами называют полиматричными. Для полиматричных материалов характерен более обширный перечень полезных свойств. Например, использование в качестве матрицы наряду с алюминием титана увеличивает прочность КМ в направлении, перпендикулярном оси волокон.

В соответствии с геометрией армирующих частиц различают порошковые (или гранулированные), волокнистые, пластинчатые КМ. Порошковые композиты представляют собой смесь порошков металлов и неметаллических соединений, которые образуют дисперсно-упрочнённый сплав. Они отличаются изотропностью свойств. В волокнистых композитах матрицу упрочняют непрерывно и дискретно расположенные волокна. Волокнистые и пластинчатые композиты так же, как и металлические сплавы, имеют анизотропию механических свойств.

В матрице равномерно распределены остальные компоненты (наполнители). Поскольку главную роль в упрочнении КМ играют наполнители, их часто называют упрочнителями.

Основная функция наполнителя – обеспечить прочность и жёсткость КМ. Частицы наполнителя должны иметь высокую прочность во всём интервале температур, малую плотность, быть нерастворимыми в матрице и нетоксичными. Армирующими веществами в КМ являются оксиды, карбиды (обычно – карбид кремния SiC), нитрид кремния (Si3N4), стеклянные или углеродные нити, волокна бора (бороволокна), стальная или вольфрамовая проволока.

По форме наполнители разделяют на три основные группы (рис. 1, 1): нульмерные, одномерные, двумерные.

Нульмерными называют наполнители, имеющие в трёх измерениях очень малые размеры одного порядка (частицы).

Одномерные наполнители имеют малые размеры в двух направлениях и значительно превосходящий их размер в третьем измерении (волокна).

У двумерных наполнителей два размера соизмеримы с размером КМ и значительно превосходят третий (пластины, ткань).

По форме наполнителя КМ разделяют на дисперсно-упрочнённые, слоистые и волокнистые.

Дисперсно-упрочнёнными называют КМ, упрочнённые нульмерными наполнителями; волокнистыми – КМ, упрочнённые одномерными или двумерными наполнителями; слоистыми – КМ, упрочнённые двумерными наполнителями.

По схеме армирования КМ подразделяют на три группы: с одноосным, двуосным и трёхосным армированием (рис. 1, 2– 4).

Для одноосного (линейного) армирования используют нуль-мерные и одномерные наполнители (рис. 1, 2). Нульмерные располагаются так, что расстояние между ними по одной оси значительно меньше, чем по другим. В этом случае содержание наполнителя составляет 1 – 5 %. Одномерные наполнители располагаются параллельно один другому.

При двухосном (плоскостном) армировании используют нуль -, одно- и двумерные наполнители (рис. 1, 3). Нульмерные и одномерные наполнители располагаются в параллельных плоскостях. При этом расстояние между ними в пределах плоскости значительно меньше, чем между плоскостями. При таком расположении нульмерного наполнителя его содержание доходит до 15 – 16 %. Одномерные наполнители находятся также в параллельных плоскостях. При этом в пределах каждой плоскости они расположены параллельно, а по отношению к другим плоскостям – под разными углами. Двумерные наполнители параллельны один другому.

При трёхосном (объёмном) (рис. 1, 4) армировании нет преимущественного направления в распределении наполнителя. Расстояние между нульмерными наполнителями одного порядка. В этом случае их содержание может превышать 15 – 16 %. Одномерные наполнители располагаются в трёх и более пересекающихся плоскостях.

2. Композитные материалы на металлической основе.

Преимущества КМ на металлической основе по сравнению с другими основами состоят в следующем:

механические свойства – высокие значения характеристик, зависящих от свойств матрицы (предела прочности и модуля упругости в направлении, перпендикулярном оси армирующих волокон); высокая пластичность, вязкость разрушения; сохранение прочностных характеристик до температур плавления основного металла;

физические свойства – высокая тепло- и электропроводность;

химические свойства – негорючесть (по сравнению с КМ на полимерной основе);

технологические свойства – высокая деформируемость, обрабатываемость.

Наиболее перспективными материалами для матриц металлических КМ являются металлы, обладающие небольшой плотностью (Al, Mg, Ti), и сплавы на их основе, а также никель – широко применяемый в настоящее время в качестве основного компонента жаропрочных сплавов.

В порошковых (дисперсно-упрочнённых) КМ на металлической основе наполнителями служат дисперсные частицы тугоплавких фаз – оксидов Al2O3, SiO2 и карбидов. Отличительная особенность порошковых КМ, как было указано, состоит в изотропности механических и физических свойств.

Примером порошкового КМ на металлической основе является материал САП (спечённая алюминиевая пудра), состоящий из смеси порошков алюминия и оксида алюминия (6-22%). В настоящее время в двигателестроении из САП изготавливают многие ответственные детали: поршни, шатуны, тарелки клапанных пружин. САП имеет высокую технологичность при деформации, сварке, резании; отличается высокой коррозионной стойкостью и жаропрочностью. В отличие от жаропрочных алюминиевых сплавов они работают при температурах до 500? С, а не до 300? С.

Для изготовления деталей ГТД – дисков, лопаток, роторов – применяют порошковые сплавы типа ВДУ (высокотемпературные дисперсно-упрочнённые), представляющие собой смесь порошков никель-хромового сплава и оксидов гафния (HfO2) или тория (ThO2). Сплавы ВДУ получают методом механического легирования. Жаропрочность и жаростойкость таких КМ выше, чем никелевых сложнолегированных сплавов, получаемых как по традиционной технологии, так и при направленной кристаллизации поликристаллических и монокристаллических сплавов.

В волокнистых КМ упрочнителями служат волокна и нитевидные кристаллы чистых элементов или тугоплавких соединений (B, C, Al2O3, SiC), проволоки. Волокна могут быть непрерывными или дискретными. Объёмная доля колеблется от нескольких единиц до 80…90 %. Свойства волокнистых КМ зависят от схемы армирования. Механическим свойствам волокнистых КМ присуща анизотропия, поэтому при изготовлении из них деталей волокна ориентируют так, чтобы с максимальной выгодой использовать свойства композита с учётом действующих нагрузок.

Сходство первичной структуры чугуна с волокнистыми композитами, основанное на морфологическом подобии дендритов дискретным упрочняющим волокнам, замечено давно. Однако анализ соответствия фактической структуры чугуна основным требованиям КМ показал, что они либо выполняются не в полной мере, либо вовсе не выполняются, не позволяя реализовать полномасштабное композитное упрочнение.

Так условие ?в волок. >>?в матр. может частично выполняться при сорбитной структуре первичных дендритных кристаллов, но утрачивает смысл при выделении в дендритах феррита.

Другой принцип КМ, ограничивающий морфологию волокон по длине и толщине соотношением l/d > 100, в чугунах выполняется не в полной мере, поскольку дендриты едва достигают нижних границ указанного соотношения, и технических решений по увеличению их длины пока нет.

Важнейший принцип КМ, требующий прочной, но не диффузной связи волокон с упрочняемой матрицей, в чугунах практически не реализуется, и дендриты очень ограниченно участвуют в работе разрушения чугуна, отслаиваясь без разрушения от малопрочной матрицы.

Тем не менее, литейная технология позволяет хорошо освоенными методами усилить сцепление дендритов с матрицей, например, за счёт измельчения эвтектических ячеек, снижения разветвлённости графитовых включений, повышенного содержания фосфора, формирующего монолитную кайму фосфидов вокруг эвтектических ячеек и др.

Эти частные решения, по отдельности и для других целей, опробованные литейщиками с положительными результатами, целесообразно использовать в комплексе по новому назначению для усиления композитного упрочнения серого чугуна.

Принципиальное значение для конструктивной прочности чугунов имеет необходимость предотвращать образование феррита в дендритных ветвях, предупреждая катастрофическое разупрочнение литых деталей.

В чугунах существуют объективные термодинамические ограничения на использование упрочняющего легирования. При прочих равных условиях менее легированный чугун с меньшим содержанием Si, Mn, Cr будут иметь более однородную перлитную структуру, в том числе и в дендритных ветвях, и, как следствие, лучшие прочностные свойства.

В таблице 1 приведены свойства некоторых волокнистых КМ с металлической матрицей. Для примера даны свойства чистого алюминия (нагартованный лист) и самого прочного легированного сплава В95. Этот сплав упрочняется при старении и имеет предел прочности 600 МПа, и предел выносливости – 155 МПа (сопротивление циклическим нагрузкам). Создание КМ – введение в алюминий волокон бора (КМБ) – повышает предел прочности почти на порядок по сравнению с алюминием и вдвое по сравнению со сплавом В95; при этом втрое возрастает модуль упругости и вчетверо – предел выносливости.

Керамические композиционные материалы имеют керамическую матрицу и содержат металлическую или неметаллическую волокнистую арматуру. Условно к керамическим композиционным материалам относят также композиты с комбинированной матрицей, содержащей тугоплавкие неметаллические частицы и частицы металла, выполняющего функцию связки [1].

Достоинства керамических композитов определяются, в первую очередь, свойствами матрицы. Керамические матрицы обеспечивают наиболее высокий уровень рабочих температур композиционных материалов. Керамика является химически и термически стойким материалом, имеет высокий уровень прочностных свойств на сжатие.

Недостатком абсолютного большинства керамических материалов является очень низкий уровень трещиностойкости. Попытки приблизить керамику по показателям вязкости к металлическим материалам привели к разработке керметов, т. е. материалов, имеющих комбинированную матрицу, полученную из порошков (более 50 % (объемн.) керамика, а остальное - металл). Более эффективным является введение в керамическую матрицу металла в форме не порошка, а волокон. Одинаковая с керметами термостойкость у композитов с волокнистым упрочнителем достигается в том случае, если объемная доля волокна в 3 раза меньше, чем объемная доля частиц металла в керметах [1].

В керамических композиционных материалах нагрузка посредством матрицы передается на волокно. В том случае если модуль упругости волокна при растяжении меньше, чем модуль матрицы, нагрузку в первую очередь воспринимает матрица. При этом увеличение объемной доли волокна приводит к снижению прочностных свойств керамики.

Для того чтобы волокнистая арматура, вводимая в матрицу, обеспечивала увеличение прочностных свойств керамики, необходимо чтобы волокна представляли собой более жесткий по сравнению с керамической матрицей материал. Другим техническим решением, позволяющим повысить прочностные свойства керамики за счет введения армирующих волокон, является предварительное напряжение арматуры [1]. Механизм термического напряжения материала реализуется при использовании волокон, имеющих коэффициент термического расширения больше, чем у матрицы. В этом случае при охлаждении системы, находившейся при повышенных температура, в керамической матрице возникают сжимающие напряжения. Эти напряжения повышают прочностные свойства керамики, снижают склонность матрицы к растрескиванию.

Основными способами производства керамических композиционных материалов являются прессование со спеканием, горячее прессование и шликерное литье. Первая из этих технологий неприемлема для получения композитов, армированных волокнами (особенно большого диаметра). Это объясняется тем, что волокна препятствуют уплотнению порошка, являются причиной образования дефектов структуры матрицы [I].

Тип армирующих волокон, используемых в керамических композиционных материалах, определяется условиями работы изделий (температурой, наличием и видом агрессивной среды). В том случае если армирующими элементами служат металлические волокна, эффективность работы композитов при высоких температурах будут определять газопроницаемость керамической матрицы, наличие в ней трещин. Работоспособность таких композитов при высоких температурах зависит от свойств металлических волокон. Основным фактором, ограничивающим применение металлических волокон в керамических композитах, является их повышенная склонность к окислению при высоких температурах эксплуатации.

Наиболее часто для упрочнения керамики используются волокна вольфрама, молибдена, ниобия, стали [5]. Металлические волокна более пластичны по сравнению с керамикой. Они воспринимают значительную часть нагрузки, сдерживают развитие трещин в композите, выполняют функцию структурных элементов, повышающих трещиностойкость и термостойкость материалов. При увеличении объемной доли металлических волокон до ~ 25 % вязкость и термостойкость керамических композитов повышается. При дальнейшем увеличении содержания волокна возрастает пористость керамических матриц и свойства композитов снижаются. Основными технологическими процессами получения керамических композиционных материалов с металлическими волокнами являются методы горячего прессования и шликерного литья.

При разработке керамических композиционных материалов в качестве армирующих элементов часто используют керамические волокна. Достоинства волокон этого типа заключаются в следующем [I]: малое различие модулей упругости и коэффициентов термического расширения материалов волокон и матрицы; химическое сродство компонентов композитов; жаростойкость керамических волокон. В качестве примера композита такого типа можно отметить материал с матрицей из оксида хрома, армированной усами муллита. Керамические матрицы из оксидов АЬОз и MgO упрочняют монокристаллами Zr02 и MgO, имеющими игольчатую форму, а также пластинчатыми кристаллами Р-глинозема и Сг203. Оптимальная объемная доля упрочняющих элементов составляет 10. 20 %. Для получения композитов с пористостью матрицы менее 3 % применяют технологию горячего прессования. По сравнению с неармированной горячепрессованной керамикой термостойкость отмеченных композиционных материалов в 3. 5 раз выше [1].

Эффективными армирующими элементами керамического типа в композиционных материалах являются волокна карбида кремния. Эти волокна применяются в сочетании с матрицами из боросили- катного, алюмоборосиликатного, литиевоборосиликатного стекла. Карбид кремния используется в виде моноволокон диаметром ~ 10. 12 мкм. Технология получения композитов такого типа основана на горячем прессовании слоев лент волокна и стеклянного порошка [5]. Прессование осуществляют в среде аргона.

Керамические композиционные материалы с армирующими керамическими волокнами перспективны для изготовления конструкций ядерных силовых установок, высокотемпературных подшипников, лопаток газотурбинных двигателей, носовых обтекателей ракет, антенных обтекателей летательных аппаратов [5].

В качестве упрочняющих элементов керамических композиционных материалов могут быть использованы углеродные волокна. Для армирования керамики рекомендуется применять высокомодульные волокна. Матрицами в углекерамических материалах могут служить боросиликатные, алюмосиликатные, литиевосиликатные стекла [5].

Композиционные материалы — это искусственные материалы, получаемые сочетанием компонентов с различными свойствами. Одним из компонен­тов является матрица (основа), другим - упрочнители (волокна, частицы). В качестве матриц используют полимерные, металлические, керамические и углеродные материалы. Упрочнителями служат волокна - стеклянные, борные, углеродные, органические, нитевидные кристаллы (карбидов, берилов, нитридов и др.) и металлические проволоки, обладающие высокой прочностью и жесткостью. При составлении композиции эффективно используются индивидуальные свойства составляющих композиций. Свойства композиционных материалов зависят от состава компонентов, количест­венного соотношения и прочности связи между ними. Комбинируя объем­ное содержание компонентов, можно, в зависимости от назначения, полу­чать материалы с требуемыми значениями прочности, жаропрочности, мо­дуля упругости или получать композиции с необходимыми специальными свойствами, например магнитными и т. п.

Содержание упрочнителя в композиционных материалах составляет 20-80% по объему. Свойства матрицы определяют прочность компози­ционного материала при сжатии и сдвиге. Свойства упрочнителя опре­деляют прочность.

Композиционные материалы имеют высокую прочность, жесткость, жаропрочность и термическую стабильность. Композиционные матери­алы являются весьма перспективными конструкционными материала­ми для многих отраслей машиностроения.

Силикатные материалы характеризуются сравнительно небольшой стоимостью, они могут быть получены из широко распространенных сырьевых мате­риалов, отличаются высокой огнеупорностью и химиче­ской стойкостью. Основным их недостатком является хрупкость и в связи с этим невысокая прочность на рас­тяжение.

Эти материалы обладают рядом ценнейших свойств, некоторые из них имеют температуру плавления выше 2000—3000° С. Их теплопроводность в 10—15 раз ниже теплопроводности металлов.

Области применения новых видов керамики — атом­ная техника, термопреобразователи, ракетно-космиче­ская техника, режущие инструменты, радиоэлектроника, радиотехника, телевизионная аппаратура, электронно-счетные машины и др.

Развитие производства технической керамики привело к созданию новых процессов керамической технологии, таких, как литье из парафинированных масс, горячее прессование, гидростатическое формование. В последнее время изучаются такие методы, как формование с помо­щью импульсов высоких энергий (методом взрыва), на­пылением и т. п.

Отличительными особенностями технической керамики по сравнению с обычной является то, что процесс спека­ния при производстве изделий зачастую происходит в специальных газовых средах, а также и то, что она имеет во многих случаях бессиликатный химический состав. Иногда примеси SiO 2 являются причиной значительного изменения свойств керамических материалов, например ферритов.

Некоторые изделия технической керамики в связи с применением их в ответственных конструкциях подвер­гаются механической обработке, например шлифованию, при этом точность обработки достигает второго и третьего класса.

В последнее время находят распространение стекло-кристаллические материалы, получаемые путем тер­мической обработки различных составов стекол. Цель процесса — превратить стекло из аморфного состояния в кристаллическое. Свойства стеклокристаллических ма­териалов определяются их составом и структурой. Как правило, этот класс материалов обладает наиболее вы­сокими по сравнению со стеклом механическими, термиче­скими и физико-химическими свойствами.

Большой интерес для новой техники представляют стеклянные и керамические волокна, обладающие высо­кой термостойкостью, низкой теплопроводностью и хоро­шей химической стойкостью. Исследованиями, прове­денными в США, установлено, что керамическое во­локно на основе чистого кварцевого стекла является превосходным материалом для покрытия космических аппаратов.

В последнее время наметилась тенденция к созданию комбинированных материалов, обладающих основ­ными свойствами их составных частей. С этой точки зрения значительный интерес представляют керметы.

Разработаны методы соединения керамики с метал­лом с помощью пайки и сварки, что позволяет соединять в некоторых конструкциях совершенно разнородные мате­риалы. Немаловажную роль играют керамические по­крытия на металлах. Большой интерес представляют ин­терметаллические соединения и огнеупоры переменного состава.

Огнеупоры переменного по толщине стенки состава изготавливаются таким образом, что с одной стороны они представляют собой огнеупорный керамический матери­ал, а с другой — тугоплавкий металл. Состав такого ма­териала по толщине стенки непрерывно изменяется от металла к керамике, что улучшает его тепловой градиент и делает его стойким к тепловым ударам. Сочетание вы­сокой прочности и пластичности металлической части с жаропрочностью и окалиностойкостью керамического огнеупора переменного состава позволяет применять его в специальной технике высоких энергий.

Для новой техники большое значение при­обрели материалы из чистых высокоогнеупорных мате­риалов — окислов алюминия, бериллия, магния, каль­ция, циркония, церия, ниобия, иттрия, тория, ура­на и др.

В современной высокотемпературной технике широко используется корундовая керамика (А1 2 О 3 ). Она сочетает в себе ценные физико-химические и механические свой­ства. По твердости корунд занимает второе место после алмаза. Он обладает высокой теплопроводностью, хо­рошими диэлектрическими свойствами при высоких температурах, химической устойчивостью ко многим расплавленным металлам, газам и реагентам (включая плавиковую кислоту). Корунд можно кратковременно использовать в окислительной и восстановительной сре­де при температуре до 1900° С. Корунд отличается малым сечением захвата тепловых нейтронов, и его при­меняют в атомной энергетике в качестве конструкцион­ного материала и носителя окиси урана в тепловыделя­ющих элементах. Окись алюминия используется для изготовления радиолокационных антенн, металлизиро­ванных цилиндров для футеровки камер сгорания и за­щитных покрытий на металлах. Широко используют А1 2 0 3 при изготовлении электроизоляторов, свечей за­жигания в двигателях внутреннего сгорания и в элект­ронных лампах, действующих в условиях высоких тем­ператур.

Корунд высокой твердости используют в качестве конструкционного материала. Фильеры из окиси алюми­ния применяют для протяжки стальной проволоки, рез­цы из А1 2 О 3 используют в качестве металлорежущего инструмента при больших скоростях. Прочность, износостойкость и режущие свойства инструментальной кера­мики на основе корунда улучшаются с увеличением дис­персности частиц и степени их однородности. Оптималь­ными для инструментальной керамики являются зерна корунда 1—2 мк , пористостью не выше 1%.

Для получения плотной, мелкокристаллической кера­мики на основе окиси алюминия применяют различную технологию производства: обжиг в вакууме, горячее прес­сование, небольшие добавки других соединений и элемен­тов для улучшения спекания и увеличения плотности и структуры материала.

Замечательные свойства окиси бериллия (ВеО) также обусловливают ее широкое применение в новой технике. Она имеет температуру плавления 2530±30°С.

Огнеупорная керамика на основе окиси бериллия устойчива на воздухе, в среде углекислого газа, аргона, азота, в вакууме до 1800° С. Химическая устойчивость ВеО превосходит химическую устойчивость большинства окислов металлов. Однако окись бериллия неустойчива в среде галогенов и сернистых газов.

Изделия из ВеО отличаются хорошими диэлектриче­скими свойствами. Удельное сопротивление их выше, чем у большинства изоляторов из чистых окислов. Окись бе­риллия обладает исключительно высокой теплопроводно­стью (при нормальной температуре в 7 раз превышает теплопроводность плотных изделий из Аl 2 Оз). По тепло­проводности ВеО занимает следующее место после та­ких металлов, как золото, серебро и медь. Окись берил­лия обладает исключительно высокой удельной теплоем­костью из всех огнеупорных окислов. Это свойство при­обретает особое значение там, где необходимы хорошие теплорассеяние и теплопроводность, например в ядерной технике. Окись бериллия находит широкое применение в электронной технике, в металлургии редких и чистых металлов.

Окись бериллия благодаря высокому коэффициенту замедления тепловых нейтронов представляет значитель­ный интерес для атомной энергетики.

Из ВеО получают нитевидные монокристаллы с сопро­тивлением на изгиб около 150000 кГ/см 2 . Для окиси бериллия, применяемой в электронике, основное значение имеют теплопроводность, прочность, электрическое со­противление, диэлектрические свойства и постоянство этих свойств.

Большой теоретический и практический интерес для новой техники приобрела двуокись циркония, температу­ра плавления которой 2715° С . Двуокись циркония суще­ствует в двух модификациях. Полиморфное превращение моноклинной формы ZrO 2 в тетрагональную протекает с изменением объема. Объемные изменения достигают 7%. Поэтому нельзя получать изделия из чистой двуоки­си циркония. Ее стабилизируют такими окислами, как CaO, MgO, переводя Zr0 2 в устойчивую кубическую модификацию.

Двуокись циркония, стабилизированная окисью каль­ция при высокой температуре, является хорошим про­водником электричества при повышенных температурах и неплохим теплоизоляционным материалом. Двуокись циркония при стабилизации окисью иттрия обладает большей электропроводностью (в пределах 750—1350°С), чем стабилизированная окисью кальция.

Двуокись циркония широко используется при изго­товлении огнеупоров для тепловой изоляции печей, ап­паратов и реакторов, работающих при высоких темпе­ратурах, топливных элементов в системе Zr0 2 —U0 2 , огнеупорных тиглей, в качестве покрытия на металлах. Сравнительно невысокая плотность Zr0 2 (5,8 г/см 3 ) на­ряду с малой теплопроводностью позволяет использо­вать ее в качестве тепловой изоляции в ракетной тех­нике. Чистая двуокись циркония обладает значительной адсорбционной способностью в отношении тепловых нейтронов и высоким поперечным сечением за­хвата.

Из семейства лантанидов все большее внимание ста­ла привлекать двуокись церия (Се0 2 ), температура плавления которой 2725±20°С. Стекла, содержащие СеО 2 приобретают повышенную устойчивость к гамма-излучению. Двуокись церия применяют также для обесцве­чивания, окрашивания и производства стекол, устойчи­вых к действию ультрафиолетовых лучей.

Для ряда областей новой техники представляет ин­терес двуокись урана (UO 2 ), имеющая температуру плавления 2760±30°С. По электрическим свойствам она является полупроводником. При работе с UO 2 необхо­димо соблюдать определенные меры предосторожности вследствие ее радиоактивности. Изделия из UO 2 — это чаще всего тигли для плавки урана, тория и других ме­таллов. Широко применяется двуокись урана в качестве тепловыделяющего элемента в реакторах различных типов.

Двуокись тория (Th0 2 ) является самым тугоплавким окислом, его температура плавления 3050 + 200° С. Дву­окись тория радиоактивна. Ввиду очень высокой стоимо­сти применение ее в качестве огнеупорного материала ограничено. Она применяется только в тех случаях, когда ни А1 2 О 3 ни Zr0 2 не могут быть использованы.

В последнее время двуокись тория получила широкое применение в области атомной энергии как в составе теплопроводящих ядерных элементов, так и в виде кон­струкционного материала. Тигли из спеченной двуокиси тория применяют при температурах до 2700° С.

Изделия из двуокиси тория обладают сравнительно высокой механической прочностью, что позволяет при­менять их в качестве конструкционных деталей.

В США разработан новый тип керамики — иттрийлокс. Иттрийлокс состоит из 90% окиси иттрия и 10% двуокиси тория и представляет собой однофазный поли­кристаллический материал с размером зерен 10—50 мк. Он обладает прозрачностью стекла, но выдерживает более высокие температуры.

Иттрийлокс характеризуется комплексом свойств, ко­торым не обладает никакой другой керамический ма­териал. Он может повысить характеристики высокоин­тенсивных ламп накаливания и разрядных ламп. Иттрийлокс прозрачен как в ультрафиолетовой, так и в инфракрасной области (А,—0,24 и 9,0 мк соответствен­но), показатель преломления этого материала равен 1,91, поглощение света в видимой области при толщине образца 2 мм не превышает 3%.

Многие свойства керамических материалов в большой степени зависят не только от химического и фазового состава, но и от микроструктуры материала, которая определяется химическим составом исходного сырья и технологией изготовления материала.

Важной проблемой является разработка способов получения поликристаллической керамики с повышен­ной пластичностью. Можно предположить, что если моно­кристаллы окислов обладают пластичностью, то она будет в известной степени сохраняться и у поликристал­лической керамики. Материал в этом случае должен со­стоять из очень чистых окислов, быть мелкозернистым,

не включать другие фазы и не содержать пор. Получе­ние керамики с повышенной пластичностью позволило бы решить очень важную техническую проблему высоко­температурных конструкционных материалов.

КЕРАМИКА ИЗ КВАРЦЕВОГО СТЕКЛА

Особый интерес для целого ряда облас­тей новой техники представляют материалы, получаемые на основе кварцевого стекла.

Кварцевое стекло представляет собой двуокись крем­ния в стеклообразном состоянии. Его получают плавле­нием при температурах выше 1700°С чистых природных разновидностей кристаллического кварца (горного хрус­таля, жильного кварца или чистых кварцевых песков). Выпускаемое промышленностью кварцевое стекло имеет следующий состав: SiO 2 — 99,95%, А1 2 0 3 — 0,01%, Fe 2 O 3 —0,004%, СаО —0,028%, MgO — 0,012%, Na 2 0 — остальное.

В зависимости от исходного сырья и технологии про­изводства получают прозрачное и непрозрачное квар­цевое стекло. Последнее является более дешевым. Его непрозрачность обусловлена наличием мелких газовых пузырей (0,003—0,3 мм).

Особенностью кварцевого стекла являются его высо­кие прочностные свойства, сравнительно мало умень­шающиеся при высоких температурах.

Кварцевое стекло обладает рядом ценных свойств - термических, оптических и других, но вследствие боль­шой вязкости практически невозможно получать из него крупные и сложные изделия. В связи с этим для по­лучения сложных изделий из кварцевого стекла в по­следнее время применяется керамическая технология. Чаще всего для формования изделий из кварцевого стек­ла используют шликерное литье в гипсовые формы и го­рячее литье под давлением.

Керамика из кварцевого стекла обладает многими ценными свойствами исходного материала: низким коэф­фициентом температурного расширения, хорошими элек­тротехническими параметрами, высокой химической стойкостью.

В отличие от кварцевого стекла, теплопроводность которого увеличивается с ростом температуры, кварцевая керамика имеет довольно низкую теплопроводность, мало изменяющуюся вплоть до 1100° С.

С нагревом до 1200°С механическая прочность квар­цевого стекла плавно возрастает на 50—60%.

Особенности формирования структуры и свойств обжиговых керамических композиционных материалов из грубодисперсных непластичных компонентов. Теория и практика плотной упаковки частиц в полидисперных системах. Исследование процессов образования волластонита.

Рубрика Производство и технологии
Вид диссертация
Язык русский
Дата добавления 12.02.2015
Размер файла 4,6 M

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

HTML-версии работы пока нет.
Cкачать архив работы можно перейдя по ссылке, которая находятся ниже.

Подобные документы

Изучение 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 26.04.2011

Классификация 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

Общие сведения о композиционных материалах. Свойства композиционных материалов типа сибунита. Ассортимент пористых углеродных материалов. Экранирующие и радиопоглощающие материалы. Фосфатно-кальциевая керамика – биополимер для регенерации костных тканей.

реферат [1,6 M], добавлен 13.05.2011

Типы композиционных материалов: с металлической и неметаллической матрицей, их сравнительная характеристика и специфика применения. Классификация, виды композиционных материалов и определение экономической эффективности применения каждого из них.

реферат [17,4 K], добавлен 04.01.2011

Влияние графитовых наполнителей на радиофизические характеристики композиционных материалов на основе полиэтилена. Разработка на базе системы полиэтилен-графит композиционного материала с наилучшими радиопоглощающими и механическими показателями.

диссертация [795,6 K], добавлен 28.05.2019

История 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 11.02.2011

Используемые и перспективные материалы ядерных энергетических установок. Особенности холодной консолидации порошковых материалов. Предварительная подготовка компонентов сплавов; формование заготовок; исследование структуры и коррозионных свойств образцов.

Читайте также: