Технічна кераміка - перспективний матеріал для конструкцій, що працюють при 1200 ° С і вище. Вона використовується для теплообмін-ників, деталей двигунів внутрішнього згоряння і газотурбінних двигунів, для хімічного і металургійного устаткування, деталей папероробних машин, ущільнювачів насосів, працюю-чих в умовах абразивного зношування, і т. Д.
Конструкційна кераміка - це матеріал на основі тугоплавких сполук (карбідів, нітридів, боридів, оксидів), які отли-зустрічаються високими температурою плавлення, твердістю, модулем уп-ругості, хімічно інертні, мають великий діапазон електричні-ських і теплових властивостей (від надпровідників до діелектриків, від теплоизоляторов до високотеплоотводящіх матеріалів), мають специфічні властивості (емісійними, оптичними, ядер-ними, каталітичними).
Особливостями кераміки є відсутність макропластіческой деформації при кімнатних температурах і наявність квазіпластіче-ської деформації при високих температурах. Кераміка має висо-кую стабільність кристалічної решітки, яка обумовлена наявністю жорстких спрямованих ковалентних зв'язків. Це визначає низьку концентрацію і рухливість дефектів, сприяє гальм-жению дифузійних процесів, ускладнює диффузионно-в'язка течія, відповідальне за массоперенос і ущільнення при твердофаз-ном спіканні.
Властивості керамічних матеріалів визначаються технологією їх виготовлення. Низькі технологічні характеристики кераміки-ки вимагають активації порошкових частинок, які забезпечують массоперенос при спіканні. Гаряче пресування, реакційний і активований спікання, формування в апаратах високого тиску-ня дозволяють отримати високощільну кераміку.
Активований спікання здійснюють введенням активую-чих добавок (А12О3, ZrO2, Y2O3, MgO, B4C, В, С та ін.).
Високі температури гарячого пресування сприяють пере-кристалізації частинок нітридів і карбідів в присутності рідкої фази (рис. 8i5). Спікання кераміки прискорюється, якщо одночасно частки легується, утворюючи тверді розчини (наприклад, якщо ле-гірованіе порошків здійснюється за рахунок термомеханічної ак-тіваціі при тривалому змішуванні легуючих добавок і кер-вів порошків в розмельних агрегатах).
Мал. 8.5. Псевдорідину фаза на поверхні зламу нітриду титану
З підвищенням дисперсності частинок товщина дифузійного шару стає порівнянна з радіусом частинок, що призводить до активації спікання і об'ємної усадки. При легуванні бором утворюється твер-дий розчин заміщення, зростає кількість дефектів решітки, що полегшує дифузію вуглецю в карбіду.
Перспективною є попередня активація керамічні-ських порошків вибухом, що підвищує щільність дислокацій до 10й. 1212 см
2 і підсилює дифузійні процеси при після-дме спіканні, що дозволяє знизити температуру спікання до 1600. 1800 °.
Для отримання високоміцної конструкційної кераміки необ-ходимо такі умови:
# 9633; розмір часток (дисперсність порошків) не більше 1 мкм з питомої-ної поверхнею частинок більше 10 м2 / г;
# 9633; високий ступінь чистоти порошків;
# 9633; активація керамічних частинок при спіканні за рахунок введення добавок, які формують рідку фазу або тверді розчини;
# 9633; суміщення процесів пресування і спікання (гаряче пресування, пресування в апаратах високого тиску, вибуховий пресування).
Керамічні порошки одержують як традиційними методу-ми - синтезом з простих речовин, карботермічним синтезом, так і високотемпературного синтезу (СВО), плазмохімічним і розчинним синтезом, дисоціацією складних з'єднань і електролізом. Розмір частинок порошків знаходиться в межах від 20 нм до 500 мкм. Форма частинок порошків губчаста, ос-колкових, округла, огранений, ізометрична, волокниста. Як і Рошки отримують з кристалічною і аморфною структурами.
Отримання порошків СВС-синтезом дозволяє виготовити ніт-Рідного та карбонітридним порошки за рахунок виділення енергії при азотуванні кремнію, алюмінію, титану (екзотермічна реак-ція). Композиційні порошки Si3N4-SiC отримують при утримуючи-ванні в шихті до 50% компонентів, що утворюють карбід кремнію, так як синтез йде з поглинанням енергії (ендотермічна реакція).
Таблиця 8.1 Властивості карбідних керамік і алмазу
Карбідна кераміка використовується в якості матеріалу матриць алмазосодержащих композиційних матеріалів інструментального призначення. Тугоплавкі композиційні матеріали та вироби з них отримують за рахунок хімічних реакцій в обсязі заготівлі. Заго-товки виготовляють із суміші порошків, які формуються в виро-лиє необхідної форми на ранніх стадіях технологічного процесу. Потім здійснюють хімічні реакції і отримують кінцеве виро-лиє з подальшим перетворенням складу і структури матеріалу. Висока твердість і зносостійкість отриманих матеріалів край-ні ускладнюють механічну обробку нових виробів. Вона здійснювала-вляется алмазним інструментом або шліфуванням. Найбільш пер-перспективного шліфування торцем шліфувального круга, так як цей вид шліфування забезпечує менш жорсткі температурні умови обробки.
Композиційні матеріали алмаз - карбід кремнію отримують за рахунок хімічної реакції між кремнієм і вуглецем непосредст-венно в обсязі заготівлі. Процес створення матеріалу ведуть при ат-мосферном тиску, що забезпечує отримання виробів складної форми і великих розмірів з унікальними фізико-механічними властивостями.
Поєднання високої пружності, теплопровідності, твердості і зносостійкості в композитах дозволило ефективно застосовувати їх в якості інструментальних і конструкційних машиностроит-них матеріалів.
Наноструктурні матеріали - перспективні нові матеріали з нанофазних структурними складовими, розмір часток, кристаллитов або фаз яких не перевищує 100 нм хоча б в од-ном вимірі, що дозволяє сформувати в матеріалі комплекс унікальних фізико-механічних характеристик. Соизмеримость геометричного розміру наночаетіц з характерними розмірами фі-зичних явищ (довжиною вільного пробігу електрона або фото-ну, розміром електричного або магнітного домена, протяжно-стю дефектів кристалічної решітки типу дислокації) викликає різноманітні розмірні ефекти, а збільшена поверхнева енергія і екстремальні умови освіти частинок призводять до ме-тастабільному станом матеріалів. Це проявляється в істотний ном підвищенні міцності наноструктурних мате-ріалів при збереженні ними високої пластичності і низького порога хладноломкости, напівпровідниковому характер провідності, су-пермагнетізме, збільшенні температури переходу в сверхпроводя-ний стан, зниження температур фазових перетворень, изме-нении оптичних характеристик і т.п.
Структуроутворюючу основу нанокомпозитів складають ультра-дисперсні частинки розміром 5. 500 нм. Порівняно невеликі добавки таких частинок здатні значно поліпшити структуру і властивості матричних матеріалів (металів і сплавів, полімерів, ке-Рамик і т. П.).
Перспективними методами створення матеріалів і композитів з нанорозмірними структурними складовими з різних ме-Таллі, сплавів, неметалевих матеріалів і з'єднань є способи порошкової металургії, а також технології, засновані на модифицировании композитів нанокристалами (кластерними алмазами, фулеренами).
Основні методи отримання ультрадисперсних порошків викорис-товують процеси випаровування і конденсації за участю хімічних рет акцій. Залежно від умов реакції (температури, швидкості подачі і концентрації реагентів, умов конденсації) продукти реакції можна отримувати у вигляді ультрадисперсних частинок, тонких плівок, ниткоподібних кристалів.
Створити оптимальні умови випаровування, конденсації і повноти протікання хімічної реакції синтезу можливо, тільки викорис-чаплі принципи роздільного синтезу, коли на кожному етапі обробки отримують матеріал на оптимальних режимах. Для цього використовують високоенергетичних вакуумні методи синтезу, в тому числі лазерний, плазмовий, магнетронний, а також детонаційні процеси з використанням вибуху.
Виготовлення нанодисперсних порошків тугоплавких з'єднань-ний лазерним синтезом відрізняється можливістю отримання особливо чистих порошків при дуже малих їх розмірах (до декількох нано-метрів) з відносно низькими витратами енергії, в той час як при плазмовому методі синтезу можливе забруднення остаточно-го продукту матеріалом електродів. Магнетронний метод отримання ультрадисперсних порошків передбачає синтез частинок в аморфний-ної фазі з подальшою кристалізацією порошків в тугоплавкое з'єднання.
Ультрадисперсні штучні алмази є прикладом на-номатеріалов, виробництво і застосування яких освоєно в про-промисловому масштабі. Матеріали надтверді виготовляють на основі алмазів з карбідної зв'язкою.
Технологія отримання високоплотной кераміки підвищеної міцності і композитів на її основі включає:
1) виробництво (синтез) дисперсних високочистих порошків;
2) підготовку порошків до формування зі створенням шихти (по-рошковой суміші) одним з методів або поєднанням методів:
# 9633; активацією частинок помелом або вибуховий обробкою;
# 9633; термохимической очищенням поверхні;
# 9633; введенням технологічних добавок (для випадку предваритель-ного холодного пресування);
# 9633; введенням активують спікання добавок;
# 9633; змішуванням порошків (операції розуміли, введення добавок і змішування можуть здійснюватися в одному агрегаті);
3) формування порошків (гаряче пресування, шлікерного лиття, пресування високим тиском, інжекційне пресування і ін.);
4) спікання в захисній атмосфері або вакуумі;
5) оздоблювальні операції (шліфування, алмазна обробка і т. Д.).
З промислових методів формування застосовують гаряче пресування, інжекційне і ізостатичне гаряче пресування, гідро-динамічне і вибуховий пресування, термобаричну спікання, а також шлікерного лиття.
Область застосування технічної кераміки - ізоляційні, фер-роелектріческіе і напівпровідникові матеріали, м'які і тверді ферити, светопроводящая і корозійно-стійка Кераміка, біологічне скло, імплантанти, конструкційні жароміцні і жаростійкі матеріали для виготовлення керамічних деталей дви-ваному, теплообмінників, газових турбін, захисних покриттів, ре-жущіе матеріали, шліфувальні круги та пасти.