Керамика в технологии конструкционных материалов

Российский химико-технологический  университет имени Д.И.Менделеева

 

 

 

 

Реферат

по теме:

«Керамика в технологии конструкционных

 материалов»

 

 

 

 

Выполнил:

Студент  ИФХ

Группа Ф-35

Бардакова Ксения

Проверила:

Мазурова

Диана Викторовна

 

 

Москва

2012

Содержание:

1. Краткий исторический очерк.
2. Техническая керамика.

2.1.     Традиционная электротехническая керамика

2.2.     Керамика на основе ВеО (брокерит, броммелитовая керамика)

3. Керамика на основе МgО (периклазовая керамика)
4. Керамика из оксида алюминия - корундовая керамика
5. Кварцевая керамика
6. Керамика из диоксида циркония ZrO₂
7. Керамика из оксида иттрия Y₂O₃

 

3. Свойства и применение керамических материалов
1.      Режущий керамический инструмент.
2. Керамические двигатели.
3. Керамика специального назначения.
4. Контейнеры для хранения радиоактивных отходов.
5. Ударопрочная броневая керамика.
6. Керамика в ракетно-космическом машиностроении.

 

4. Литература

 

 

 

 

 

 

Керамика (греч. keramike — гончарное искусство, от kéramos — глина), изделия и материалы, получаемые спеканием глин и их смесей с минеральными добавками, а также окислов и др. неорганических соединений. К. получила широкое распространение во всех областях жизни — в быту (различная посуда), строительстве (кирпич, черепица, трубы, плитки, изразцы, скульптурные детали), в технике, на железнодорожном, водном и воздушном транспорте, в скульптуре и прикладном искусстве. Основными технологическими видами К. являются терракота, майолика, фаянс, каменная масса и фарфор. В лучших своих образцах К. отражает высокие достижения искусства всех времён и народов.

1. Краткий исторический очерк.

 Пластичность глин  использовалась человеком ещё  на заре его существования, и едва ли не первыми изделиями из глины стали скульптуры людей и животных, известные ещё в палеолите. К позднему палеолиту некоторые исследователи относят и первые попытки обжига глины. Но широко обжиг глиняных изделий с целью придать им твёрдость, водоустойчивость и огнестойкость стал применяться только в неолите (около 5 тыс. лет до н. э.). Освоение производства К. — одно из важнейших достижений первобытного человека в борьбе за существование: варка пищи в глиняных сосудах позволила намного расширить ассортимент съедобных продуктов. Как и другие подобные открытия (например, пользование огнем), К. не является изобретением какого-либо одного лица или народа. Ее осваивали независимо друг от друга в разных частях земли, когда человеческое общество достигало соответствующего уровня развития. Способы обработки глины для получения К., как и самого производства изделий, изменялись и совершенствовались в соответствии с развитием производительных сил народов.

Глинобитные жилища трипольской культуры. (4—3-е тысячелетие до н. э.), обжигавшиеся снаружи кострами и расписывавшиеся, — первый пример применения К. в качестве стройматериала. С развитием техники добывания металлов К. стала необходима и в металлургии (сопла горнов, тигли, литейные формы, льячки) Первоначально керамические изделия формовались от руки и обжигались на костре или в домашней печи. Позже, уже в классовом обществе, появились специалисты-гончары, пользовавшиеся гончарным кругом (или оттискивавшие изделия в специальной форме) и гончарным горном.

В Древней Руси с 10 в. изготовляли на гончарном круге разнообразную посуду, некоторые сосуды покрывали зелёной глазурью. Глазуровали также плитки для полов и игрушки. После упадка, вызванного монголо-татарским нашествием, производство К. возродилось к 14—15 вв. Основными стройматериалами были кирпич, черепица, плитки, трубы; уже с 16 в. появились царские кирпичные заводы и первый стандартный "государев большой кирпич". Для украшения фасадов зданий и внутренних помещений делали изразцы — терракотовые и глазурованные (зелёные — "муравленые" и полихромные — "ценинные").

2. Техническая керамика.

 Керамика - это материал, получаемый спеканием порошков заданного состава при температурах, существенно ниже их температуры плавления. Структура керамики близка к структуре ситаллов. И керамика и ситаллы состоят из кристаллических и аморфных фаз, но в керамике ещё имеются газовые фазы. Их присутствие в керамике обусловлено технологией. Технологический процесс производства керамических изделий включает много операций. Ключевыми операциями являются подготовка исходных компонентов, заключающаяся в измельчении сырья до заданного уровня, смешении компонентов, формовании изделия и обжиг. Формование керамического изделия часто проводится путём прессования. Чем выше давление прессования и чем мельче порошки, тем меньше пор в керамике, тем меньше содержание газовой фазы.

На пористость керамики также  большое влияние оказывает режим  спекания. Вообще, спекание - это очень  сложный физико-химический процесс. Внешним признаком спекания является уменьшение размеров изделия и, соответственно, увеличение кажущейся плотности. Спекание порошка начинается обычно со «сваривания» зёрен в местах контакта. Сущность спекания заключается в самопроизвольном заполнении веществом свободного пространства внутри зёрен и между ними. При этом происходит уменьшение дефектности кристаллических решёток, снятия имеющихся напряжений в контактных участках материала. Движущей силой процесса спекания является стремление системы к уменьшению поверхностной энергии, в данном случае это выражается в уменьшении поверхности. Поэтому мелкозернистые порошки спекаются быстрее, чем крупнозернистые.

Одновременно с процессом  спекания протекает рекристаллизация. Она заключается в образовании  одних зёрен тела за счёт других. Состав кристаллических фаз при  этом часто существенно изменяется. Если состав кристаллических фаз не изменяется, то рекристаллизация сводится к полиморфным превращениям, то есть, к образованию различных кристаллических модификацией одного и того же вещества. Если состав кристаллических фаз в процессе рекристаллизации изменяется, то это обусловлено либо диффузией компонентов и образованием твёрдых растворов, либо образованием новых веществ в результате химических реакций в смесях твёрдых веществ.

Механизм реакций в  смесях твёрдых веществ очень  сложен. Из курса химии известно, что твёрдые вещества химически  не взаимодействуют друг с другом. Их химическое взаимодействие возможно только за счёт массопередачи путём внутренней диффузии, а коэффициент диффузии твёрдого в твёрдом очень мал - 10^-8 - 10^-16 м²/с. Таким образом, скорость чисто твёрдофазных реакций пренебрежимо мала. Практический опыт противоречит этим общим представлениям. Это связано с тем, что в действительности химические превращения при спекании керамических масс протекают при участии газовых и жидких фаз. Газовые фазы образуются, например, за счёт возгонки или диссоциации твёрдых веществ. Жидкие фазы образуются за счёт плавления одного из исходных компонентов или их эвтектических смесей.

В качестве примера такого процесса можно назвать взаимодействие оксидов цинка и алюминия с  образованием шпинели

ZnO_(тв) + Аl₂O_3(тв) = ZnAl₂O_4(тв)

ZnO_(тв) ZnO_(газ)

ZnO_(газ) + Al₂O_3(тв) ZnAl₂O_4(тв) (ZnO^.Al₂O₃)

В состав смеси обычно добавляют  небольшие количества так называемых «минерализаторов» или «плавней», имеющих относительно низкие температуры  плавления. Они химически инертны  по отношению к реакционной смеси, однако существенно изменяют условия реакции и свойства получаемого продукта. Механизм действия минерализаторов заключается либо в создании центров кристаллизации, либо в изменении скорости кристаллизации (в частности, путём изменения вязкости системы и отвода тепла от неё), либо в изменении кристаллической решётки и, соответственно, свойств кристаллических тел. Реакции в кристаллических смесях широко используются при изготовлении керамических изделий со специфическими свойствами.

Областей применения керамики не меньше, если не больше, чем областей применения полимеров. Керамика - первый искусственный материал, созданный  человеком. Уже в каменном веке человек  использовал предтечу керамики - глиняную посуду, пока не обожжённую. Первые обожжённые изделия появились в каменном веке - это была посуда, строительные материалы, декоративные и бытовые изделия из фаянса. Расцвет керамики относится к ХХ веку - этот период порой называют веком пластмасс и керамики.

Кроме традиционных направлений  керамика используется в транспорте, машиностроении, приборостроении, электротехнике, электронике, энергетике, химической технологии, медицине, обрабатывающих орудиях, текстильной промышленности - трудно найти область техники, где бы сейчас не использовалась керамика.

Термин «техническая керамика»  отделяет керамику технического назначения от художественной керамики. Развитие технологии технической керамики вызвало появление керамики специального назначения, так называемой «тонкой технической керамики».

В основу классификации керамики положен признак наличия в  ней определённого химического  вещества, кристаллическая фаза которого преобладает в этом виде керамики. Область применения керамики является дополнительным признаком, так как одна и та же по своему составу керамика может использоваться в различных областях техники. В самом общем виде техническую керамику можно подразделить на следующие классы:

1) керамика из огнеупорных  оксидов; 

2) на основе силикатов  и алюмосиликатов;

3) на основе двуокиси  титана, титанатов, цирконатов и соединений с подобными свойствами;

4) на основе шпинелей;

5) на основе хромитов  редкоземельных элементов; 

6) на основе тугоплавких  бескислородных соединений;

7) композиционные материалы.

2.1. Традиционная электротехническая керамика

Электротехническую керамику подразделяют на 4 важнейших категории - магнитную, диэлектрическую, полупроводниковую и проводниковую, в том числе сверхпроводниковую. Все они характеризуются ионным строением кристаллических решёток. Рассмотрим вначале разновидность диэлектрической керамики - фарфоры. Основными компонентами фарфора являются пластичные глины и каолины, представляющие собой водные алюмосиликаты. Химическая формула каолина Аl₂O₃^.2SiO₂^.H₂O. В состав фарфоров входят также кварцевые материалы (SiO₂), полевые шпаты (микроклин К₂О^.Аl₂O₃^.6SiO₂), глинозём (Al₂O₃), кальцит (СаСО₃) и др.

Обожжённый фарфор состоит  из кристаллов муллита 3Аl₂O₃^.2SiO₂ и кварца SiO₂, промежутки между которыми заполнены стеклообразным материалом, образовавшимся в основном в результате расплавления полевого шпата.

Электротехнический фарфор содержит примерно 70% SiO₂ и 25% Al₂O₃. Остальное приходится на К₂О, Na₂O, Fe₂O₃ и др.

Более высокими диэлектрическими свойствами обладает радиофарфор, стекловидная фаза которого облагорожена введением в неё тяжёлого оксида ВаО.

Дальнейшим усовершенствованием  радиофарфора является ультрафарфор. Он содержит увеличенное количество глинозёма Аl₂O₃ и ВаО. Ультрафарфор используется как высокочастотный диэлектрик вплоть до СВЧ.

Близкой по составу и свойствам  к фарфору является стеатитовая  керамика. Она в основном состоит  из силикатов Мg и изготавливается на основе тальковых минералов 3МgO^.4SiO₂^. Н₂О. Рецептура стеатитовой керамики и условия процесса спекания выбирают так, чтобы исключить полиморфные превращения силиката магния. Кроме силиката магния в рецептуру входят минерализаторы ZrO₂, ZnO, ВаСО₃ и МgСО₃, связывающие кремнезём SiO₂, выделяющийся в процессе разложения талька при его нагревании.

Отличительной особенностью рассмотренных выше керамических материалов является очень быстрое ухудшение диэлектрических свойств с ростом температуры.

Все эти материалы имеют  положительный коэффициент теплопроводности, лежащий в пределах (3 - 9)^.10^-6К^-1.

Относительно высокий  ТКЛР и низкий коэффициент теплопроводности 1,2 - 3,5 Вт/м^.К обусловливают невысокую стойкость к термоударам. В этом отношении большой интерес представляют керамики на основе чистых оксидов, а также шпинели (двойные оксиды МgO^.Al₂O₃).

2.2. Керамика на основе ВеО (брокерит, броммелитовая керамика)

Температура плавления чистого  ВеО = 2570 20 ^оС, энтальпия образования Н = - 616 2,5 кДж/моль. Удельная теплоёмкость возрастает с увеличением температуры от 1,25кДж/кг^.К при 100 ^оС до 2,08 при 900 ^оС. Твёрдость по Моосу кристаллов ВеО составляет 9, микротвёрдость - 15,2 ГН/м². Самым удивительным теплофизическим свойством бериллиевой керамики является необычайно высокая теплопроводность = 219 Вт/м^.К - во много раз выше теплопроводности остальных видов керамики, превосходящей теплопроводность большинства металлов и уступающей только серебру, меди и алюминию. Это свойство в сочетании с хорошими электрофизическими свойствами ( = 7, tg = 3^.10^-4, = 10¹³ Ом^.м), высоким коэффициентом замедления и отражения тепловых нейтронов, малым поперечным сечением захвата и большим сечением рассеяния определило области применения этой керамики. Это ядерная энергетика (конструкционный материал, матричный материал для ядерного горючего), металлургия редких металлов (тигли для плавления Ве, Th, Pt, Ti, U и др.), электронная техника (мощные приборы СВЧ, теплоотводы различных радиоэлектронных устройств). Разработана технология прозрачной керамики из ВеО, высокоплотной и, наоборот, с повышенной пористостью (до 82 %).