Универсальный функциональный материал

ножницы, лезвия, ножи, дисковые фрезы	Диапазон размеров:  внутренний диаметр 3 мм - 200 мм.

Фианиты

Кубический ZrO2 с добавками: цезия, скандия, хрома, кобальта. Показатель преломления 2,15 – 2,18 (близок алмазу)

Окраска фианита и прочность зависят от химического состава. Изготавливают высококачественные линзы для оптических приборов, ювелирные изделия.

Керамика на основе SiC

В природе встречается в виде редкого минерала — муассанита.

Карборунд: твердость до 45ГПа, σ_изг до 700МПа, полупроводник.

Технический SiC имеет искусственное происхождение.

Способы синтеза SiC

Реакционное спекание	Из газовой фазы	Плазмохимический
спекание кремнезема  с углеродом в графитовой электропечи при 1600—2500 °C Кристаллы
	Монокристалл	Нанопорошок

Изделия из карбида кремния

Реакционноспеченный SiC двухфазный материал

каркас кристаллов SiC и свободный кремний.

Спеченный SiC методом свободного спекания порошка.

Жидкофазноспеченный - LP SiC (с добавкой алюмоиттриевого граната - Y3Al5O12 (YAG)

Микроструктуры

Реакционноспеченый	Спеченный	Жидкофазноспеченный

Карбидокремниевые нагревательные элёменты (КНЭ)

представляют собой стержень или трубку, имеющую среднюю рабочую часть с относительно высоким электрическим сопротивлением («горячая» зона) и выводные («холодные») концы с более низким электросопротивлением.

Карбид кремния используют как компонент композитной брони, для защиты вооружения и военной техники. В бронежилете «Кожа дракона», используют диски из карбида кремния.

Жесткость, теплопроводность и низкий КТР обуславливает широкое применение SiC для изготовления зеркальных элементов в различных оптических системах, например в астрономических телескопах.

Технология химического осаждения паров позволяет создавать диски из поликристаллического SiC до 3,5 метров в диаметре.

Композиционные материалы с карбидокремниевой матрицей применяют в самолетостроении и космонавтике.

Керамика из Si₃N₄.

Практически устойчив к кислотам, расплавленным металлам, парам воды

к окислению на воздухе и в кислороде..

Изделия получают азотированием порошка Si газообразным N при 1500°С.

(образуется Si₃N₄ , который заполняет поры заготовки).

Керамика - высокая прочность, твердость, трещиностойкость,

Области применения изделий из нитрида кремния:

Двигателестроение: элементы газотурбинных двигателей для авиакосмической техники, сопловые и рабочие лопатки турбин, каталитические воспламенители форсажной камеры.

Химическая промышленность: хлороводы газообразного хлора при производстве хлористого алюминия.

Машиностроение: текстильная промышленность: нитеводители – глазки, втулки с ресурсом работы не менее 1 года, что в 3–5 раз выше ресурса аналогичных фарфоровых изделий;

износостойкие элементы подшипников, рабочие пластины режущих инструментов.

Керамика из AlN.

(высокая теплопроводность и изоляционные свойства)

Плотность AlN 3,12–3,27 г/см³, Тпл.= 2400°С.

К порошку AlN добавляют 10% Al пудры, для образования

AlN - связки. Изделия спекают в среде N при 1900°С.

печатные платы, теплопоглотитель в светодиодной осветительной технике и высокомощной электронике.

Керамика из BN.

Плотность 2,2–2,35 г/см³ ,температура плавления в 3000°С.

Порошок α-BN получают синтезом из элементов при 2000°С

или при нагревании смеси B₂O₃ с углём в атмосфере аммиака.

При давлениях 6200МПа и температуре 150°С в присутствии катализаторов (щелочных и щёлочно-земельных металлов)

α-BN превращается в кубический

алмазоподобный β-BN – боразон- эльбор (шлифпорошок).

Режущие пластины на основе кубического нитрида бора рекомендуются для высокопроизводительного точения закаленных сталей, высокопрочного чугуна.

Керамика на основе дисилицида молибдена

Тпл. MoSi₂ - 2030°С. До 1700°С на поверхности изделий

образуется защитная стеклообразная пленка,

вследствие чего MoSi₂ стоек к окислению.

MoSi₂ имеет низкое электрическое сопротивление – применяют для изготовления электронагревателей с работой на воздухе при температурах до 1700°С.

Высокотемпературное спекание

Спекание процесс уменьшения свободной поверхностной энергии порошкообразного тела при нагревании сопровождается:

изменением фазового состава, формы и размеров кристаллов, размеров и формы пор, образованием твердой, жидкой и газообразной фаз.

Температуру спекания оценивают первой производной изменения пористости по температуре от температуры обжига. Относительную температуру спекания определяют как функцию температуры плавления: Для тугоплавких оксидов   0,8Тпл.

Механизмы спекания

Поверхностная диффузия, объемная диффузия,

зернограничная диффузия, перенос через газовую фазу,

движение дислокаций, силы поверхностного натяжения.

Твердофазовое спекание

Диффузионный механизм - градиент концентрации вакансий является движущей силой их диффузии от поры и диффузии атомов или ионов в пору - уплотнение материала.

Механизм пластической деформации при высоких температурах поверхность частиц находится в термопластичном состоянии. Перемещение частиц под действием капиллярных сил называют диффузионно-вязкой ползучестью.

Механизм испарения-конденсации - транспорт вещества в виде пара под влиянием разницы давлений над выпуклой и вогнутой поверхностями.

Реакционное спекание заполнением пор конденсированными продуктами химических реакций компонентов при условии увеличения молярного объема новообразований. Уплотнение изделий из нитридов, карбидов с низкими коэффициентами диффузии проводят реакционным спеканием.

Активированное спекание введение добавок, которые образуют твердые растворы (добавка TiO₂ к Al₂O₃); образуют химическое соединение (добавка MgO и Al₂O₃ образует Mg Al₂O₄).

Эффективность действия добавок на спекание проявляется при их малых концентрациях.

Жидкофазное спекание

образование расплава и стягивание частиц силами поверхностного натяжения. Варианты: расплав не взаимодействует с частицами, растворяет или вступает с ними в химическое взаимодействие.

Проблемы спекания

снижение плотности образование пор в объеме зерен снижение прочности аномальный рост отдельных зерен замедление спекания общий рост зерен - увеличение диффузионного пути

Цель спекания получение плотного материала

с гомогенной мелкозернистой структуры.

Двухстадийный метод спекания

используют различия в энергии активации процессов диффузии по границам зерен (меньше) и миграции границ (больше). Процесс уплотнения структуры материала продолжают за счет многочасовой выдержки.

Спекание нагревом внешними и внутренними

источниками тепла.

спекание нагревом внешними источниками тепла

свободное (конвективное) спекание,

спекание под давлением ГП (горячее прессование).

спекание нагревом внутренними источниками тепла

SPS (плазменно-искровое) спекание.

СВЧ (микроволновое) спекание.

Свободное (конвективное) спекание

Разработка режима спекания требует знания изменения теплофизических и термомеханических свойств материала и изделия в условиях градиента температуры.

Технологические факторы, влияющие на режим спекания: свойства исходных порошков, плотность сырца,

температура, продолжительность и атмосфера.

Горячее прессование

Совмещение прессования и спекания при температуре 0.5 - 0.8 от Тпл позволяет реализовать режим регулируемого вязкого течения.

Сила давления формования суммируется с силой поверхностного натяжения, обусловливающей обычное спекание, вследствие чего процесс спекания сокращается.

Наиболее существенными достоинствами ГП следует считать

быстрое уплотнение материала и получение изделия с минимальной пористостью при сравнительно малых удельных давлениях.

Получение изделий с плотностью, близкой к теоретической (99.9 %)

и возможность регулирования параметров микроструктуры.

Нагрев при ГП осуществляют:

1. матрица прессформы, 2- пуансоны

а - применением внешних нагревателей;         б - пропусканием тока через пресс-форму;          в - пропусканием тока через порошок ;         г - индукционным высокочастотным нагревом.

Горячее прессование

п/п Температура, оС Давление, МПа Время, мин 1 20-1200 16 15 2 1200 35 20 3 охлаждение Снятие нагрузки

Схема установки ГП