Тема-14 Техническая керамика. Техническая керамика

• Название: Техническая керамика
• Дата: 17.05.2022
• Размер: 7.71 Mb.
• Имя файла: Тема-14 Техническая керамика.pptx
• Тип: Документы; #533802
• страница: 6 из 6

Керамика из нитрида алюминия, А1N

Алюминий образует с азотом два соединения - нитрид алюминия, А1N и триазид алюминия, А1(N3)3 – очень гигроскопичное взрывчатое вещество белого цвета. AlN имеет только одну гексагональную модификацию типа вюрцита, что упрощает технологию керамики. Нитрид алюминия обладает твердостью 9 по шкале Мооса; плотностью 3,27 г/см3. Плотная керамика из А1N имеет твердость по Кнупу (500 г) 12 ГПа, модуль упругости 300-310 ГПа; прочность при изгибе 300-450 МПа; ТКЛР в интервале 25-1000С 4,8-5,6.10-6 К-1; удельное электросопротивление 1012-1013 Ом.см; при 25С и частоте 106 Гц tg = (2-10).10-4 и  = 8,510. Выше 1900-2000С АlN разлагается. Он имеет высокую химическую стойкость к расплавам многих цветных металлов и их сплавов. На воздухе плотную керамику на основе А1N можно применять до 1450С.

Керамика на основе А1N имеет высокую теплопроводность - до 220 Вт/(м.К) [максимальное значение, теоретически, - 320 Вт/(м.К)]. Это позволяет использовать А1N вместо высокотоксичного ВеО в электронных устройствах, где требуется сочетание диэлектрических свойств с высокой теплопроводностью (подложки интегральных схем, теплоотводящие электроизолирующие прокладки и т. д.).

Порошки АlN получают всеми перечисленными для нитридов способами. Керамику изготавливают методами реакционного спекания, горячего прессования, их комбинацией. Применение добавок оксидов, фторидов или боратов щелочноземельных или редкоземельных металлов позволяет получать высокоплотную керамику и без использования горячего прессования. Особенно часто применяют оксиды и фториды иттрия и кальция и бораты кальция. Оксидная добавка способствует уплотнению в основном за счет механизма растворения - кристаллизации. На заключительной стадии спекания добавка концентрируется в местах контакта нескольких граней кристаллов, в то время как остальные области граней практически не содержат добавки и имеют достаточно совершенное строение. Эго обеспечивает высокую теплопроводность керамике из А1N , несмотря на присутствие оксидных добавок, имеющих значительно меньшую теплопроводность.

Высокая теплопроводность снижает термомеханические напряжения, возникающие при эксплуатации изделий из АlN, что в сочетании с достаточной химической стойкостью позволяет использовать керамику в качестве конструкционной. Получена прозрачная керамика, а также керамика с прочностью при изгибе 500 МПа. Высокие твердость и теплопроводность позволяют применять А1N в качестве добавки в режущих инструментах.

Нитрид бора, BN

Бор образует с азотом одно соединение - нитрид бора, ВN, существующее в виде трех модификаций: графитоподобной гексагональной -ВN; кубической -ВN и гексагональной плотно упакованной -ВN. Имеются данные о существовании ромбоэдрической модификации ВN. В технологии керамики используют -, - и -ВN.

-ВN плавится с разложением при 3000С, имеет плотность 2,29 г/см3. Аналогичная графиту низкая микротвердость и низкий коэффициент трения позволяют использовать -ВN в качестве высокотемпературной смазки, например, в керамических подшипниках. При этом слой -ВN можно создавать в процессе изготовления керамических деталей, имеющих трущиеся поверхности. Керамику из -ВN, как и графит, можно легко механически обрабатывать.

Плотная керамика из -ВN имеет модуль упругости 30 ГПа; твердость по Кнупу (500 г) - 0,07 ГПа; прочность при изгибе 50 МПа; высокую термостойкость. Керамика из -ВN - хороший диэлектрик: удельное электросопротивление 1011-1012 Ом.см; при 20С и частоте 106 Гц tg – (1-3).10-4 и  – 4-5,5. Керамика имеет высокую теплопроводность, 15-50 Вт/(м.К). Сочетание высоких диэлектрических свойств с высокой теплопроводностью позволяет использовать керамику в электронных устройствах, работающих в космосе.

Керамика из -ВN химически устойчива в восстановительных средах, в вакууме. Как и графит, -ВN не смачивается многими расплавами металлов, стекол и солей. Керамика неустойчива в окислительных средах, в воде и водных растворах кислот и оснований. На воздухе ее можно использовать до 1000С.

-BN имеет плотность 3,45 г/см3, твердость по Виккерсу 70 ГПа (алмаз 100-160 ГПа). Плотная керамика из -BN имеет модуль упругости 810 ГПа; твердость по Кнупу (500 г) 7 ГПа; коэффициент теплопроводности 80-88 Вт/(м.К). -BN начинает окисляться уже при 500С, однако образующийся В2Оз замедляет скорость процесса. Скорость окисления сохраняется низкой вплоть до 1300С, когда она резко возрастает из-за испарения В2О3. Алмаз начинает заметно окисляться уже выше 800С. В неокислительной атмосфере при нормальных условиях кубическая форма -BN сохраняется до 1600С.

Материал обладает высокой теплопроводностью, приближающейся к алмазу, и является хорошим диэлектриком. Керамику на основе -BN используют для изготовления резцов, фильер, теплоотводящих электроизолирующих элементов и т. д. -BN применяют в качестве абразива под названием “эльбор” и “боразон”.

Керамика из боридов

Бориды - соединения бора с металлами - в соответствии с правилом Хэгга, обычно образуют сложные цепочечные, слоистые и каркасные структуры. Бориды имеют высокие температуры плавления и разложения , обладают высокой твердостью и теплопроводностью. Часть из них имеет высокую электрическую проводимость, например, TiB2, ZrB2. Их можно использовать в качестве нагревательных элементов.

Бориды устойчивы против воздействия минеральных кислот, но разлагаются расплавами щелочей. Существенным недостатком боридов является то, что они окисляются при 800-1200С.

Керамику на основе TiB2 используют для изготовления режущих инструментов.

4. Керамика из силицидов

Силициды - это соединения металлов с кремнием. Согласно правилу Хэгга, они практически не образуют “фаз внедрения”, а имеют слоистые, цепочечные и каркасные структуры. Они обычно имеют более низкие, чем карбиды, нитриды и бориды соответствующих элементов, температуры плавления . Силициды обладают высокой теплопроводностью, большинство из них являются электрическими проводниками.

Силициды стойки к окислению до 1500-1700С благодаря образованию защитной пленки SiO2. Образующиеся при спекании и при эксплуатации керамики прослойки SiO2 по границам кристаллов и происходящие полиморфные переходы, в основном  кристобалита, снижают механические свойства изделий. Некоторые силициды перспективны для применения в качестве основной фазы или добавок при получении конструкционной керамики или керамических конструкционных материалов.

Дисилицид молибдена,MoSi2

Наибольшее применение получил дисилицид молибдена, MoSi2, имеющий слоистую структуру, состоящую из двух слоев атомов кремния и одного слоя атомов молибдена. MoSi2 имеет температуру плавления 2030С, высокую теплопроводность 35-40 Вт/(м.К); ТКЛР в интервале 20-1500С – 9,2.10-6 К-1; прочность при изгибе при 20С - 500 МПа, при 1200С - 400 МПа, твердость по Виккерсу 13-15 ГПа.

Керамику на основе MoSi2 применяют для изготовления нагревателей, способных работать до 1800С в окислительной среде. Нагреватели из MoSi2 серийно выпускают в промышленности. Пленка из SiO2 защищает образцы от окисления. Поскольку пленка при термоциклировании разрушается, нагреватели рекомендуют использовать в постоянном режиме нагрева или не охлаждать их ниже 900С. Температура и продолжительность использования нагревателей определяется защитными свойствами образующейся пленки. Ее можно повысить введением соответствующих добавок.

5. Керамика из оксикарбидов, оксинитридов, сиалонов

Существует класс высокоогнеупорных соединений, содержащих различные металлы в сочетании с кислородом и одним или несколькими элементами из числа углерод, азот, бор, кремний. Их можно рассматривать как замену в соответствующих бескислородных соединениях части углерода, азота, бора или кремния на кислород; это оксикарбиды, оксинитриды, симоны. Эти соединения, как правило, более устойчивы к окислению, чем соответствующие бескислородные соединения, поскольку их решетка уже насьпцена по отношению к кислороду, однако результаты могут искажаться из-за определяющего влияния образующегося защитного оксидного слоя.

Оксинитрид кремния, Si2ON2

Оксинитрид кремния, Si2ON2, можно получать, например, при обжиге в азоте смеси кремния и оксида кремния по реакции:

SiO2 + 3Si + 2N2  2 Si2ON2.

В качестве однофазной керамики оксинитрид кремния употребляют редко, но его достаточно широко применяют в многофазной керамике, например, для связывания зерен Si3N4.

Оксинитрид алюминия, А1ОN

Оксинитрид алюминия, А1ОN, может существовать в двух модификациях: кубической -фазы и тетрагональной -фазы. Эти фазы являются аналогами соответствующих фаз А12О3. Различие в ионных радиусах и степенях окисления кислорода и азота приводит к возникновению в структуре оксинитрида вакансий, облегчающих спекание. Из оксинитрида получена прозрачная керамика. Оксинитрид алюминия используют для производства керамических композиционных материалов. Керамика, состоящая из матрицы -А12О3 и дисперсной фазы - -оксинитрида алюминия и получаемая горячим прессованием (2070 К, 40 МПа, 30 мин) смеси А12О3 и АlN, имеет при 20 и 1400С прочность при изгибе 380-550 и 300 МПа и К1C - 3 и 4,3 МПа.м1/2 соответственно.

Сиалоны

В начале 70-х годов появились материалы, названные по буквам входящих в него элементов - Si, А1, О, N сиалонами. Алюминий может быть заменен другими металлами - Ве, Ga, Sc и т. д. Поэтому этот класс соединений называют симонами.

Наиболее широко используют –сиалоны. Структуру –сиалона многие авторы рассматривают как твердый раствор на основе -Si3N4, однако есть достаточно обоснованное предположение, что это твердый раствор на основе соединения, способного существовать не в чистом виде, а только в виде твердого раствора - фаза Курнакова.

Плотную керамику из -сиалона можно получать как из предварительно синтезированных порошков, так и при объединении синтеза и спекания. При изготовлении из порошков используются добавки оксидов щелочноземельных и редкоземельных металлов и, как правило, применяют горячее прессование. Во втором варианте можно использовать различные комбинации следующих исходных порошков: Si; SiO2; Si3N4; Si2ON2; Al; Al2O3; AlN; AlON; 3Al2O3.2SiO2. При этом удается получать без введения добавок плотную керамику, причем как с применением горячего прессования, так и без него. Исходные компоненты, условия синтеза и спекания подбирают таким образом, чтобы временно образующейся жидкой фазы было достаточно для получения беспористой керамики.

Беспористая керамика на основе –сиалона имеет плотность 3-3,1 г/см3; твердость по Виккерсу 13-15 ГПа; модуль Юнга 200-280 ГПа; ТКЛР в интервале 20-1200С (2,4-3,2).10-6 К-1. Изделия на основе –сиалона имеют более низкую теплопроводность, чем керамика на основе Si3N4, что дает им определенное преимущество при использовании в качестве теплозащиты.

Керамика на основе –сиалона обычно имеет примерно на 30 % меньшую прочность при изгибе, чем керамика на основе Si3N4, но на порядок более высокую стойкость к окислению. При этом защитный слой не состоит, как у Si3N4, из чистого SiO2, и не испытывает опасных полиморфных превращений, поскольку его состав приближается к муллиту. Отсутствие добавок, образующих при нагревании жидкую фазу, приводит к тому, что высокие прочностные свойства керамики на основе –сиалона сохраняются до 1200С.

Керамику на основе сиалонов, особенно –сиалона, используют в двигателестроении, в производстве режущих инструментов, подшипников, насадок на горелки и т. д. Благодаря меньшей теплопроводности и большей стойкости к окислению сиалоны считают более подходящими для использования в адиабатических двигателях, чем нитрид кремния.