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: