Керамика. Общие сведения. Классификация. Виды конструкционной керамики

Керамикой называются материалы, полученные при высокотемпературном спекании минеральных порошков. При нагреве исходные вещества взаимодействуют между собой, образуя кристаллическую и аморфную фазы. Керамика представляет собой пористый материал, содержащий ковалентные или ионные кристаллы — сложные оксиды, карбиды или твердые растворы на их основе. Аморфная фаза является стеклом, которое по своему химическому составу отличается от кристаллов. Керамический материал содержит одну или несколько кристаллических фаз; отдельные виды керамики совсем не имеют стекла в своей структуре. Как правило, керамика имеет поликристаллическую структуру с прослойками стекла и с беспорядочным расположением зерен и поэтому однородна по свойствам.

Характерной особенностью керамических материалов является хрупкость. Сопротивление разрушению тем выше, чем мельче кристаллы и меньше пористость. Например, плотная микрокристаллическая керамика на основе Аl₂О₃ с размерами зерен 1 - 5 мкм в 5 - 6 раз прочнее обычной. Изделия из плотной мелкозернистой керамики — тонкой керамики — получают по более сложной технологии, и поэтому они дороги. Пористую керамику используют в качестве огнеупорных материалов, фильтров, диэлектриков в электротехнике. Более прочную плотную керамику применяют для некоторых деталей машин.

В производстве оксидной керамики используют в основном оксиды Аl₂О₃, ZrO₂, MgO, CaO, BeO. Структура керамики однофазная поликристаллическая. Температура плавления чистых оксидов превышает 2000°С, поэтому их относят к классу высокоогнеупоров. Оксидная керамика обладает высокой прочностью при сжатии по сравнению с прочностью при растяжении или при изгибе.

Керамика на основе Аl₂О₃ обладает высокой прочностью, которая сохраняется при высоких температурах, химически стойка, отличный диэлектрик. Термическая стойкость невысокая. Идет на изготовление резцов, используемых при больших скоростях резания, калибры, фильеры для протяжки стальной проволоки, детали высокотемпературных печей и т.д. Корундовый материал микролит (ЦМ-332) по свойствам превосходит другие инструментальные материалы, его плотность доходит до 3960 кг/м³, s_СЖ до 5000МПа, твердость 92-93 HRA и красностойкость до 1200°С. Из микролита изготавливают резцовые пластины, фильеры, насадки, сопла, матрицы и др.

Керамика на основе ZrO₂ имеет низкий коэффициент теплопроводности. Рекомендуемые температуры применения данной керамики 2000-2200°С; она используется для изготовления огнеупорных тиглей для плавки металлов и сплавов, как тепловая изоляция печей, аппаратов и реакторв, в качестве покрытия на металлах для их защиты от действия температур.

Керамика на основе MgO и CaO стойка к действию основных шлаков. Ее применяют для изготовления тиглей, кроме того, MgO используют для футеровки печей, пирометрической аппаратуры и т.д.

Керамика на основе BeO отличается высокой теплопроводностью и термостойкостью, однако имеет невысокую прочность, обладает способностью рассеивать ионизирующее излучение высоких энергий, имеет высокий коэффициент замедления тепловых нейтронов, применяется для изготовления тиглей, в качестве вакуумной керамики в ядерных реакторах.

К тугоплавким бескислородным соединениям относятся карбиды, бориды, нитриды, силициды и сульфиды. Эти соединения отличаются высокими огнеупорностью (2500-3500°С), твердостью (почти как у алмаза) и износостойкостью, но обладают высокой хрупкостью.

Широко используется карбид кремния – карборунд. Он обладает высокой жаростойкостью (1500-1600°С), высокой твердостью, устойчивостью к кислотам и неустойчивостью к щелочам; применяется в качестве нагревательных стержней, защитных покрытий графита и в качестве абразива.

Бориды обладают высокой электропроводностью, износостойки, тверды, стойки к окислению. Распространены дибориды титана и циркония, которые для повышения устойчивости до температуры плавления легируют кремнием. Покрытия из боридов повышают твердость, химическую стойкость и износостойкость изделий.

Нитриды неметаллов являются высокотермостойкими материалами, имеют низкие теплопроводность и электропроводность. Их твердость и прочность меньше, чем у карбидов и боридов; в вакууме при высоких температурах они разлагаются.

Нитрид бора используется как огнестойкий смазочный материал, изделия из него термостойки. Наиболее чистый нитрид бора применяется в качестве материала обтекателей антенн и электронного оборудования летательных аппаратов. Кубический нитрид бора (эльбор) является заменителем алмаза, стоек к окислению до 2000°С.

Нитрид кремния более других нитридов устойчив на воздухе и в окислительной атмосфере до 1600°С. По удельной прочности при высоких температурах он превосходит все конструкционные материалы, а по стоимости он дешевле жаропрочных сплавов в несколько раз. Нитрид кремния прочный, износостойкий, жаропрочный материал. Он применяется в двигателях внутреннего сгорания, сток к коррозии и эрозии, не боится перегрева теплонагруженных деталей.

Силициды обладают высокой окалиностойкостью, стойки к действию кислот и щелочей. Их можно применять при температуре 1300-1700°С, при 1000°С они не реагируют с расплавленным свинцом, оловом и натрием. Дисилицид молибдена широко используется в качестве нагревателя в печах при температуре до 1700° в течение нескольких тысяч часов. Из спеченного дисилицида молибдена изготавливают лопатки газовых турбин, сопловые вкладыши двигателей; его применяют в качестве сухого вакуумстойкого смазочного материала.

21. Композиционные и порошковые материалы.

Виды композиционных материалов, классификация, свойства, преимущества, недостатки. Понятие о волокнистых композиционных материалах, (армирующих материалах, композиционных материалах на основе алюминия, магния, титана и их сплавов, композиционных материалах, армированных частицами, композиционных материалах с неметаллической матрицей). Порошковые материалы, их свойства, преимущества и недостатки, способы получения. Конструкционные, инструментальные и специальные порошковые материалы. Порошковые самофлюсующиеся материалы на никелевой и железной основах для защитных покрытий. Области применения в машиностроении и экономическая целесообразность их применения.

Date: 2015-07-25; view: 1332; Нарушение авторских прав