Термостойкие керамические материалы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Термостойкие керамические материалы

Ю.В. Максакова, студентка, Л.В. Тестова аспирант, Ю.А. Зыкова кафедры ХТНВ и М, ст. преподаватель кафедры ХТНВ и М филиала ИрГТУ в городе Усолье-Сибирское

Аннотация

В статье описаны способы изготовления термостойкой керамики, применения современных технологий в изготовлении материалов, приведены классификация керамики, подразделение на группы, способы получения керамики и исследование технологии изготовления термостойкой керамики.

Ключевые слова: керамика; керамические материалы; минералы; термостойкость; термообработка; обжиг; усадка; формование.

Abstract

The article describes the methods of manufacturing heat-resistant ceramics and modern technologies application for material production. The authors present classification of ceramics, division into groups, techniques for producing ceramics and its samples, technology of research from the scientific point of view.

Keywords: ceramics; ceramic materials; minerals; thermal stability; thermal processing; baking; shrinkage; forming

Исторически под керамикой понимали изделия и материалы, получаемые из глин и их смесей с минеральными добавками. Современное определение керамики подразумевает, что керамика - это поликристаллические материалы и изделия, состоящие из соединений неметаллов III-VI групп периодической системы с металлами или друг с другом и получаемые путем формования и обжига соответствующего исходного сырья. Исходным сырьем могут служить как вещества природного происхождения (силикаты, глины, кварц и др.), так и получаемые искусственно (чистые оксиды, карбиды, нитриды и др.).

На современном этапе, принята следующая классификация керамики по назначению:

1. Строительная керамика.

2. Тонкая керамика.

3. Химически стойкая керамика.

4. Огнеупорная керамика.

5. Техническая керамика.

Техническая керамика объединяет материалы, применяемые в различных областях современной техники, которые можно разделить на следующие группы:

• конструкционная керамика;

• инструментальная керамика;

• электрорадиотехническая керамика;

• керамика с особыми свойствами.

Главным направлением в научной деятельности стало установление взаимосвязи между технологией производства, строением и свойствами изделий с целью создания новых видов керамики с заранее заданными показателями. Решению этих проблем посвящены теоретические и экспериментальные работы зарубежных (У.Д. Кингери, Р.Л. Кобла, Д.Е. Бурке и др.) и отечественных (П.П. Будников, А.С. Бережной, И.С. Кайнарский, И.Н. Францевич, Г.В. Самсонов, К.К. Стрелов, Я.И. Френкель, Б.Я. Пинес, Я.Е. Гегузин, Д.Н. Полубояринов, Р.Я. Попильский, В.Л. Балкевич, А.С. Власов, И.Я. Гузмап, К.C. Лукин, А.В. Беляков и др.) [1].

Целью данной работы является исследование технологии изготовления термостойкой керамики. Новые технологии изготовления этой продукции, как правило, базируются на конструкционных материалах, сохраняющих свои свойства за пределами нормальных условий, например, при высокой или сверхвысокой температуре.

Высокая эффективность многих аппаратов, двигателей и т. п. достигается при высокой температуре, поэтому создание термостойких материалов - одна из важнейших задач развития современных химических технологий. К настоящему времени разработаны перспективные способы изготовления термостойких материалов. К ним относятся имплантация ионов на какой-либо поверхности; плазменный синтез - объединение веществ, находящихся в плазменном состоянии; плавление и кристаллизация в отсутствии гравитации; напыление на поликристаллические, аморфные и кристаллические поверхности с помощью молекулярных пучков; химическая конденсация из газовой фазы в тлеющем плазменном разряде и др.

Для изменения локальных химических и физических свойств материалов применяется лазерная технология. Сфокусированный луч мощного импульсного лазера способен кратковременно (в течение 100 нс) создавать чрезвычайно высокую локальную температуру - вплоть до 10 000 К. В точке фокусировки лазерного луча в результате изменения физических и химических свойств происходит локальная модификация поверхностного слоя, в котором может образоваться сплав с заданными свойствами. В условиях конденсации газовой фазы лазерный луч может инициировать химическую реакцию.

С применением современных технологий получены, например, нитрид кремния Si₃N₄ и силицид вольфрама WSi₂ - термостойкие материалы для микроэлектроники. Нитрид кремния обладает превосходными электроизолирующими свойствами даже при небольшой толщине слоя - менее 0,2 мкм. Силицид вольфрама отличается весьма малым электрическим сопротивлением. Из данных материалов напыляются тонкопленочные элементы интегральных схем. Напыление таких термостойких материалов производится методом плазменного осаждения на менее термостойкую подложку без заметного изменения ее свойств.

Представляет практический интерес способ получения новых керамических материалов для изготовления, например, цельнокерамического блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания. Данный способ заключается в отливке кремнийсодержащего полимера в форму заданной конфигурации с последующим нагреванием, при котором полимер превращается в термостойкий и прочный карбид или нитрид кремния.

Современные графито-волокнистые материалы, способные выдерживать температуру до 2000 °С. Конечно, это не предел. Новые технологии позволяют синтезировать более термостойкие материалы.

Изобретение относится к керамическим материалам и может быть использовано при изготовлении футеровки тепловых агрегатов, огнеприпасы, подставок для обжига керамики и так далее, работающих в условиях, где требуется высокая термостойкость. Задачей изобретения является повышение термостойкости.

Керамические изделия получают из шихты, содержащей 30-70 масс % г - глинозема и огнеупорную глину. Термообработку проводят при 1100-1200 ^oC. Известны способы получения керамики на основе технического глинозема, содержащие с целью повышения термической стойкости изделий оксид циркония, оксид титана и так далее. Их общими недостатками является применение дорогостоящих оксидов, высокая температура обжига (1300 ^oC и выше) и низкая термостойкость.

Наиболее близким по технической сущности является способ получения огнеупорной массы, при котором массу на основе каолина и г - глинозема обжигают при температуре 1350-1650 ^oC .

Однако при температуре выше 1200 ^oC г - форма глинозема, имеющая кубическую решетку, необратимо переходит в б-форму, имеющую другую (гексагональную) структуру. При этом происходит резкое изменение объема, снижается термостойкость изделия. Так как глинозем г-формы имеет кубическую решетку, то возможность зарождения трещин при термоударе (так называемой первой стации разрушения) может быть значительно снижена (и термостойкость повышена), в связи с равномерным изотропным расширением кристаллической решетки.

Таким образом, температура обжига керамики на основе г - глинозема, с целью повышения термостойкости не должна превышать 1200 ^oC, чтобы г - глинозем не перешел в б-форму. Задачей изобретения является повышение термостойкости. Поставленная задача решается способом получения керамических изделий на основе 30-70 мас. % г - глинозема и глинистого компонента путем их смешения и термообработки при температуре 1100-1200 ^oC, причем в качестве глинистого компонента используют огнеупорную глину.

Предлагаемый способ обеспечивает получение материала со следующими свойствами: пористость 25-45 %, усадка 1-4 %, прочность на изгиб 20-40 МПа, а термостойкость намного выше, чем у прототипа, и составляет более 100 теплосмен 800 ^oC - вода.

Технология изготовления изделия заключаются в следующем. Все компоненты в соответствующей пропорции загружают в шаровую мельницу и перемешивают всухую в течения двух часов. Соотношение шаров и материалов должно быть 2:1. После смешения компонентов в массу добавляют 25-30 % воды для роспуска глины и оставляют вылеживаться не менее одних суток. Полученную массу высушивают, просеивают через сито 063. Изделия формуют полусухим прессованием при давлении 30-40 МПа. Отпрессованные изделия обжигают при температуре 1100-1200 ^oC. Отличие предложенного способа от прототипа заключается в использовании огнеупорной глины в качестве глинистого компонента и проведении термообработки при температуре 1100-1200 ^oC.

Пример 1. Для получения 1 кг массы глинозем и глину в количестве 300 г и 700 г соответственно перемешивают в шаровой мельнице в течение двух часов. Затем добавляют 300 мл воды и оставляют на одни сутки. Полученную массу высушивают и просеивают через сито 063. Образцы прессуют в металлических формах при давлении 40 МПа и обжигают при температуре 1100 ^oC. Усадка образцов 4 %, пористость 25 %, прочность на изгиб 40 МПа, термостойкость 800 ^oC - вода около 100 циклов.

Пример 2. Глинозем и глину в количестве 300 г и 700 г соответственно перемешивают в шаровой мельнице в течение двух часов. Затем добавляют 300 мл воды и оставляют на одни сутки. Полученную массу высушивают и просеивают через сито 063. Образцы прессуют в металлических формах при давлении 40 МПа и обжигают при температуре 1100 ^oC. Усадка образцов 1 %, пористость 45 %, прочность на изгиб 20 МПа, термостойкость 800 ^oC - вода более 100 циклов. Таким образом, благодаря сохранению г - формы глинозема в изделиях после термообработки (при температуре не выше 1200 ^oC) повышается термостойкость. Способ получения термостойкой керамики на основе 30-70 мас. % г - глинозема и глинистого компонента путем их смешения и термообработки, отличающийся тем, что в качестве глинистого компонента используют огнеупорную глину, а термообработку проводят при 1100 - 1200^oС.

Технология исследования термостойкой керамики заключается в следующем: химическая посуда (тигли и др.), изготовляемая на основе фарфоровых масс, в которые за счет кварца и частично полевого шпата вводят высокоглиноземистые материалы (корунд, обожженный каолин и др.), что повышает не только химстойкость, но термостойкость и механическую прочность изделий. С увеличением в массе глинозема значительно растет температура обжига. Для снижения ее приходится вводить в массу до 2 % плавней (плавиковый шпат, магнезит, доломит и др.). Особенностью подготовки масс является также необходимость предварительного обжига каолина на шамот (1450 ^oС) и глинозема до полного перехода в б - форму (до1450 ^oС). Способ формования определяется видом изделий. Тонкостенные изделия (тигли) формуют литьем, более массивные (ступки, пестики) пластическим формованием в гипсовых формах.

Обжигают изделия в туннельных и камерных печах в капселях. Для тонкостенных изделий до глазурования необходим утильный обжиг (900-950 ^oС), температуру политого обжига устанавливают в зависимости от состава глазури.

Химически стойкие керамические материалы имеют плотность 2300-2750 кг/м³, открытую пористость 00,1 %, прочность при сжатии 55 95 МПа, огнеупорность 1600-1800 ^oС.

Термостойкие материалы, замечательны тем, что имеют свойство противостоять, не разрушаясь, напряжениям, вызванным изменением температуры при нагреве или охлаждении. Современные графито-волокнистые материалы, способны выдерживать температуру до 2000 ^oС. Конечно, это не предел. Новые технологии позволяют синтезировать более термостойкие материалы.

термостойкий керамика огнеупорный каолин

Библиографический список

1. Технология керамики и огнеупоров / под ред. П.П. Будникова. - М.: Стройиздат, 1972. - 551 с.

2. Шевченко В.Я. Введение в техническую керамику. - М.: Наука,1993. -112с.

3. Шевченко В.Я., Баринов С.М. Техническая керамика. - М.: Наука, 1993. - 187 с.

4. Керамические термостойкие материалы / под ред. Г.Н. Масленниковой. - М.: Стройиздат, 1991. - 320 с.

Размещено на Allbest.ru