Зміст

Вступ ………………………………………………………………………………..3

1 Структура і властивості неметалевих тугоплавких сполук……………..4

1.1 Методи отримання порошків ………………………………………...4

1.2 Способи синтезу ………………………………………………………..5

2 Основні методи отримання безкисневої кераміки ………………………...9

3 Процес спікання безкисневої кераміки ………………………………….....13

4 Матеріали на основі карбіду бору ………………………………………….20

5 Матеріали на основі карбіду кремнію ………………………………………22

Висновки…………………………………………………………………………...26

Список використаної літератури ………………………………………………28

Вступ

В даний час в багатьох галузях науки і техніки застосовуються різноманітні види кераміки, які є полікристалічними матеріалами, що отримуються спіканням природних глин, їх сумішей з мінеральними добавками, а також оксидів металів і безкисневих тугоплавких сполук. Велика частина керамічних матеріалів складається з кисневовмісних фазових складових.

Оксидна кераміка була отримана людиною ще в V тисячолітті до н. е. і традиційно використовується аж до нашого часу як будівельний матеріал для виготовлення цегли, черепиці, облицювальних плиток, при виробництві глиняного, фаянсового, фарфорового посуду і сантехнічної арматури, для виготовлення вогнетривких і кислотостійких футерувань печей і ванн. У зв'язку з розвитком електротехніки і електроніки кераміка на основі каоліну, стеатиту, корунду, рутилу і інших оксидних сполук знайшла застосування як електроізолятори, діелектричні деталі конденсаторів. Оксиди літію, барію, заліза, нікелю, цинку послужили основою для кераміки із спеціальними магнітними властивостями - феритів. Таким чином, до оксидної кераміки відносяться різноманітні матеріали, використовувані як в традиційно вживаній, так і в новій техніці. Проте низькі показники теплопровідності, термостійкості у поєднанні з високими значеннями коефіцієнтів термічного розширення і температурних коефіцієнтів електроопору обмежують можливості оксидної кераміки як конструкційного матеріалу і діелектрика. Безкисневі керамічні матеріали, отримані з порошків неметалевих тугоплавких сполук, мають високі показники стабільності властивостей. Найміцніші хімічні сполуки цього класу утворюють легкі елементи III - V груп періодичної системи Д. И. Менделєєва.

Перш ніж перейти до опису безкисневих керамічних матеріалів, слід розглянути кристалохімічні особливості B₄C, SiС, Si₃N₄ і властивості.

1Структура і властивості неметалевих тугоплавких сполук і методи їх синтезу

1.1 Методи отримання порошків

Методи отримання порошків карбідів кремнію і бору, нітриду бору, кремнію і алюмінію можна класифікувати за типом хімічної реакції і за типом устаткування, що здійснює процес.

За типом хімічної реакції слід виділити процеси безпосереднього утворення тугоплавких сполук з елементів

SiC + C = SiC , (1.1)

3Si + 2 N₂=Si₃N₄ , (1.2)

4B + C = B₄C, (1.3)

2Al + N₂= 2AlN, (1.4)

2B + N₂=2BN ; (1.5)

процеси, пов'язані з відновленням оксидів вуглецю (карбідотермічне відновлення),

SiO₂ + 3C = SiC + 2CO, (1.6)

2B₂O₃ + 7C = B₄C +6CO; (1.7)

процеси термічної дисоціації газоподібних элементоорганічних сполук, наприклад :

CH₃SiCl₃=SiC + 3HCl; (1.8)

процеси відновлення галогенідів в газовій фазі

BCl₃ + NH₃ = BN + 3HCl, (1.9)

4BCl₃ + CCl₄ +8H₂ = B₄C + 16HCl, (1.10)

3SiCl₄ + 4NH₃ =Si₃N₄+12HCl, (1.11)

SiCl₄ +CH₄ =SiC +HCl; (1.12)

процеси металотермічного відновлення типу:

2B₂O₃ + 6Mg + C = B₄C +6MgO; (1.13)

процеси відновлення оксидів аміаком, наприклад:

3SiO₂ + 4NH₃ = Si₃N₄ + 6H₂O. (1.14)

Представлені види хімічних реакцій можуть бути проведені в різному апаратурному оформленні, яке визначає економічність процесу, якість отримуваного продукту, а також можливості управління і автоматизації виробництва порошків.

1.2 Способи синтезу

Найдетальніше розроблені способи синтезу порошків неметалевих тугоплавких сполук в високотемпературних електричних печах. Нині для цих цілей широко використовуються як печі опору, так і індукційні печі, в яких можливе здійснення реакцій утворення з елементів або відновлення оксидів твердим або газоподібним відновником. Використання електропечей дає можливість регулювати в широких межах температурно-тимчасові параметри процесів і оптимізувати умови синтезу стосовно вимог, що пред'являються до порошків.

Кінетичні криві азотування порошку кремнію , представлені на

рисунку 1.2, показують тривалість процесу і необхідність підтримки високих температур за заданою програмою. До недоліків процесів "пічного" синтезу (ПС) слід віднести їх енергоємність, наявність забруднень отримуваних продуктів домішками, що вносяться футеруванням печі, а також утворення дуже міцних спікань, що вимагають наступного подрібнення.

Рисунок 1.2-Кінетичні криві азотувания порошку кремнію при температурах 1300, 1350, 1400 °С заздалегідь дегазованого у вакуумі при 700 °С з танталовим геттером (1); порошок не дегазований з геттером кремнієвим (2) і танталовим (3).

Істотне прискорення реакцій синтезу і можливість отримання ультрадисперсних високоактивних порошків досягається в результаті використання низькотемпературної плазми. Для цієї мети можуть застосовуватися дугові плазмотрони постійного і змінного струму, а також високочастотні плазмотрони. Введення твердих дисперсних, а також газоподібних компонентів в струмінь плазми призводить до інтенсивного розігрівання, плавлення, випаровування і часткової іонізації продуктів, що беруть участь у взаємодії, що сприяє дуже короткочасному (десяті частини секунди) і повному проходженню реакцій. Висока швидкість руху компонентів в струмені плазми дозволяє здійснити загартування продуктів реакції, внаслідок чого формуються субмікронні частинки порошку з високою концентрацією дефектів кристалічної решітки. Метод плазмохімічного синтезу (ПХС) відрізняється високою продуктивністю, можливістю отримання високоактивних порошків. Основним недоліком методу ПХС є можливість забруднення синтезованих продуктів в результаті їх взаємодії з атмосферою. Тому при отриманні і використанні плазмохимічних порошків необхідно застосовувати заходи, що забезпечують їх захист від окислення.

Розроблений в СРСР і такий, що набув широкого поширення метод самопоширюваного високотемпературного синтезу (СВС), що оснований на реалізації екзотермічних реакцій утворення деяких тугоплавких сполук [5]. Ініціацію за допомогою електричного відпалу приводить до різкого підвищення температури в зоні реакції і просування зони хімічного горіння в об'ємі реагуючих продуктів. Реакції СВС здійснюються в спеціальних герметичних реакторах, в яких можливе створення підвищеного тиску газу, що забезпечує повноту реакції. Для методу СВС характерні низькі енерговитрати, висока продуктивність і простота апаратурного оформлення. Обмеження методу пов'язані з можливістю синтезу лише тих тугоплавких сполук, утворення яких супроводжується значним екзотермічним ефектом. Тому, наприклад, неможливе отримання методом СВС карбіду кремнію. Чистота СВС-продуктів визначається якістю початкових компонентів, оскільки матеріал реактора не вносить забруднень. Проте високі температури, що розвиваються в зоні горіння, призводять до формування дуже міцних спікань, вимагаючих подрібнення і розмолу, в процесі яких можливе забруднення порошків внаслідок зносу стінок і тіл розмольних агрегатів.

Для отримання найбільш чистих порошків тугоплавких сполук використовується метод газофазного синтезу, при якому в результаті реакцій між газоподібними компонентами утворюються продукти з найменшим вмістом домішок, оскільки початкові компоненти можуть піддаватися глибокому очищенню. Слід зазначити, що продуктивність методу газофазного синтезу невелика, а вартість отриманих продуктів вища за вартість порошків, отриманих іншими вказаними способами.

До газофазних методів синтезу слід віднестиі способи отримання високоактивних чистих порошків нітриду і карбіду кремнію, що розробляються останнім часом, з використанням хімічних реакцій, що стимулюють лазерним випромінюванням. Слід зазначити, що лазерний газофазний синтез забезпечує високу чистоту продукту, оскільки реакційний об'єм обмежений простором, який займає промінь, що проходить через камеру. При цьому стінки камери залишаються холодними. Різкий температурний перепад на межі променя і навколишнього простору дозволяє контролювати швидкість росту часток і час дії на реакційну сполуку. В газофазних реакціях, де джерелом енергії є лазер, синтезуються порошки, однакові за розміром з сферичною формою частин.

Таким чином в даний час різні технологічні схеми отримання тугоплавких сполук представляють дослідникам і виробникам керамічних матеріалів великий вибір порошків , вибір яких показує властивості спечених матеріалів.