Сплавы высокого электрического сопротивления

Описанные выше металлы и сплавы, в основном, характеризуются низким электрическим сопротивлением, что является особенностью большинства металлов. Однако наряду с ними в промышленности используются так называемые сплавы высокого электрического сопротивления, у которых 0,3 мкОмм. Из них изготавливают различные элементы электроизмерительных устройств, образцовые резисторы, электронагреватели и др. изделия.

В

Таблица 1. Свойства сплавов для нагревательных элементов

Сплав	, мкОмм		10-6, К-1		Предельная рабочая температура, 0С
Манганин (60%Cu,12%Mn, 2%Ni)		0,42-0,48		5-30		100-200
Константан (60%Cu,40%Ni)	0,48-0,52		-(5-25)		450-500
Нихромы (сплавы никеля и хрома с добавками др. элементов)	1,0-1,2		100-200		1100

таблице 1 представлены некоторые сплавы, используемые в качестве нагревательных элементов.

В качестве термопар наиболее часто используют следующие сплавы.

Копель 56Cu%+44%NiИзмеряемая температура-до 350⁰С

Алюмель 95%Ni+Al,Si,MnИзмеряемая температура-до 900-1000⁰С

Хромель 90%Ni+10%CrИзмеряемая температура-до 900-1000⁰С

Платинородий 90%Pt+10%RhИзмеряемая температура-до 1600⁰С

5. Техническая керамика.

Керамика является одним из основных материалов, используемых в промышленности и повседневной жизни, ее называют третьим промышленным материалом, наряду с металлами и полимерами. Но керамика занимает особое место в ряду перспективных материалов, что обусловлено уникальностью ее химических и физических свойств, таких как инертность по отношению к воздействиям химически агрессивных сред, тугоплавкость,высокие твердость, прочность и модуль упругости.

Россия является страной с традиционно мощно развитой керамической промышленностью. Первые сведения о производстве бытовой керамики на территории нашей страны датированы 8-9вв. н.э. Заметное развитие производства строительной керамики, создание стекольной и фарфоро-фаянсовой промышленности взаимосвязаны с реформами в Российском государстве, осуществленными в 17-18вв.

В широком определении под керамикой понимают все материалы на основе неорганических неметаллических соединений, изготавливаемые спеканием (обжигом). Термин “техническая керамика” включает весьма обширный круг искусственно синтезированных при определенных условиях термообработки керамических материалов самого разнообразного химического и фазового состава, отличающихся в каждом отдельном случае некоторыми специфическими свойствами. Но несмотря на большое разнообразие видов технической керамики и методов ее изготовления имеются и некоторые особенности, объединяющие эти материалы в один класс. Такими объединяющими признаками являются:

• применение в качестве исходного сырья главным образом искусственно полученных материалов в виде окислов, солей и других химических соединений.

• повышенные требования к чистоте исходных материалов.

• весьма тонкая диспергация исходных материалов, достигаемая механическими и химическими способами.

• точная дозировка шихтового состава.

• применение пластифицирующих добавок при формовании изделий.

• обжиг в строго регламентированной и регулируемой газовой среде.

• применение нетиповой для обычного керамического производства аппаратуры.

• малотоннажность производства.

Применяемые для изготовления керамики кристаллические вещества, выпускаемые промышленностью (глинозем, MgO,ZrO₂и др.) или специально синтезированные (муллит, клиноэнстатит, феррошпинели,BaTiO₃и др.), при затворении их водой не проявляют пластических свойств подобно глиносодержащим массам. Это обстоятельство привело к необходимости подбирать особые пластифицирующие вещества и разрабатывать специальные метолы изготовления изделий.

В настоящие время развитие керамического производства происходит в трех качественных уровнях: традиционная керамика для строительства (кирпич, плитка и т.д.),санитарно -технические изделия, огнеупоры: керамика электротехнического назначения и высококачественные фарфорофаянсовые изделия: тонкая техническая керамика, включающая в себя материалы конструкционного и функционального назначения.

Технология технической керамики исходит из требования к созданию таких структурных состояний материала, которые обеспечивали бы максимальный уровень эксплутационных свойств. Не менее важной проблемой является достижение высокой воспроизводимостиэтих состояний и свойств, но при условии оптимальных технологических затрат. Структура керамического материала закладывается характеристиками исходных компонентов, наследуя их. Химический, фазовый составы и дисперсность исходных компонентов влияют и на технологические параметры процессов изготовления материалов, от которых зависят структура и свойства конечного продукта.

Керамика - этовысокофункциональныйматериал с заданным химическим составом, структурой, микроструктурой и свойствами. Высокая температура - обязательное условие для производствакерамикипри полномрасплавлении сырья, при ее упрочнении спеканием и при изготовлении с помощью химических реакций. Это обусловливает многочисленные трудности, в частности,связанныес выбором материала тигля, контролем газовой среды и т.п.

Поскольку керамика при обычной температуре малопластична и хрупка, то ее нельзя подвергать пластической обработке. Крометого, из-за высокойтвердостиее обработка резанием затруднена и в связи с этим чрезвычайно трудно получитьизделия желаемойформы. Но поскольку твердые изделия подвергаются резанию лишь незначительно, то керамика отличаетсяпреимуществом- возможностьюизготовленияиз нее изделий с высокой точностью обработки.

Так как керамика обладает превосходной коррозионнойстойкостью, то исключается необходимость обработки поверхности изделий для защиты от коррозии. Изотдельной гомогенной фазы можно обычно в один прием изготовлять небольшие изделия, а также изделия простой формы:в виде пластинок, стержней, цилиндров или порошка. Таким образом получают различнуюкерамику. Однако,изделия сложных форм(резервуары, трубы,шестерни и т.д.) или крупныефасонные изделия изготовляют из порошкообразных сырьевых компонентов формованием.После этого полуфабрикат спекают при высоких температурах (метод спекания).Дляобеспечения образования керамики с заданными свойствами следует контролировать не только состав вещества, кристаллическую структуру, но и тонкую структуру. В связи с этим весьма важно получение порошка, служащего исходным материалом.

Для получения керамических материалов с заданным комплексом свойств существуетновыйуниверсальный путь, эффективный для самых разнообразных материалов - путь перевода взаимодействующихкомпонентовв ультрадисперсное состояние. При этом характерные геометрические размеры частиц конденсированноговещества оказываются соизмеримымис тем или иным масштабомфизическогоявления,вультрадисперсныхсистемах(УДС)может реализоваться совершенно уникальный комплекс механических свойств, например, сочетание высокой твердости и сверхпластичности. Подобным же образомсоизмеримость размера частиц с характерной корреляционной длинойкуперовскойпары обусловливает качественно новыеэффектыкорреляции, что создает возможность поиска высокотемпературных сверхпроводников. Большинство характеристикУДСопределяется свойствами малых частиц ансамбля. Когда размер частиц в одном, двух или трех измерениях становится соизмеримым с характернымкорреляционным масштабом того или иногофизического явления или характерной длиной какого-либо процесса переноса (размер домена,длина свободного пробегафотонов или электронови др.), то вэтих системах реализуются различные размерныеэффекты.Обычно размерымалых частиц УДС находятсявобласти от 1до 100 нм.

Конструкционныематериалы сУДструктурой по сравнению с обычными имеют пористость в 2-3раза выше.Микротвердостьвозрастает в несколько раз, увеличивается вязкость разрушения. Снижение температуры спекания вследствие активности ультрадисперсных порошков(УДП)используют в технологии различных материалов. При изменении удельной поверхности порошков А1от3,4 до34м²/гтемпература спекания снижается на 200-300 С. Наиболее широкое применениеУДПв мировой практике получили в производствепигментов, красителей, наполнителей каучуков и резины,конструкционныхнеорганических материаловна основе нитридов, оксидов и карбидов.

Способы получения УДСподразделяются нафизические и химические. Первыйфизический метод полученияУДПоснован на нагревании, испарении и конденсации материала в присутствии инертного газа этот метод не отличается высокой производительностью, нопозволяет получитьУДП,наиболее стабильные по химическому составу и со сравнительно узким распределением по размерам. К наиболее производительным относятся способы синтезаУДПс использованием плазмы дугового, высокочастотного и сверхвысокочастотного разряда. Применяют также методы полученияУДПс помощью электрическоговзрыва проводников и сиспользованием неравновесной конденсации в высокоскоростных потоках газа.

Важная роль отводится химическимметодам получения УДПс необходимой чистотой и узким спектромраспределения по размерам, как отдельных материалов, так и их соединений, многокомпонентныхУДП. Эти методы применяют в новых отраслях керамической технологиидля получения материала изSi,Ge,Ba(Sn),TiO₂,SnO₂,GaAs,ZnO₂,Al₂O₃,TiB₂,шпинелии др.

В технологии производства изделий керамикиимеется ряд особенностей.Большинство видовспециальнойкерамикипредставляет собой тела сплотной спекшейся структурой поликристаллического строения. Это, например,окиснаякерамика,титанаты,цирконаты, шпинели,алюмосиликаты и ряд других видов керамики. При производствеизделийкристаллическаяфазакерамики либо является исходным материалом (корунд,периклази др.), либо синтезируется непосредственно в процессе обжига изделия(шпинель, муллит и др.). Во многих случаях синтез кристаллическойфазыявляется промежуточной операцией, как бы первой стадией двустадийного технологического процесса производства. Второй стадией в этом случае является подготовка уже синтезированного минерала иизготовление из него изделий (производствомуллито-корундовой,стеатитовой,форстеритовой,шпинелевойкерамики,титанатабария,титаната-цирконатасвинца,феррошпинелейи др.). Применяемые для изготовления керамики кристаллические вещества, выпускаемыепромышленностью(глинозем,MgO,ZnO₂и др.) или специально синтезируемые (муллит,клиноэнстатит,феррошпинели, BaTО₃и др.)призатворенииих водой не проявляют пластичных свойств подобноглиносодержащиммассам. Это обстоятельство привело к необходимости подбирать особыепластифицирующие вещества и разрабатывать специальные методы изготовления изделий.

Для керамики кристаллического строения характерным является спекание в твердойфазе.Твердофазовоеспекание протекает более полно и при более низких температурах, когда применяюттонкодисперсныекристаллические порошки, обладающие большойудельной поверхностью и поверхностной энергией. Поэтому подготовкатонкодисперсныхпорошков является однойиз основных технологических операцийв производстве технической керамики.

Тонкое измельчение материалов.Дляизготовленияизделиймногихвидов техническойкерамики исходныематериалы обычноизмельчаютдо зерен размером около 1-3мкм. В некоторых случаях, например при производстве стеатита или некоторых видоввысокоглиноземистойкерамики, производят и более грубое измельчение некоторых компонентов. Выбор метода измельчения исоответствующегопомольного агрегата связан: 1. с необходимой степенью дисперсности измельчаемого материала; 2. с требуемой потехнологическимсоображениям степенью чистоты измельчаемого материала; 3. с масштабом производства. Тонкий помол мелкозернистых масс и порошков осуществляют в настоящее время главным образом в шаровых ивибрационныхмельницах.

Помол вшаровых мельницах. Применяют в основномшаровые мельницыпериодического действия, так как они просты в обращении, в них можно регулировать степень помола путем изменения продолжительности помола,соотношениявеса загружаемого материала и мелющих тел. Производительность этих мельниц находится в широких пределах. Кроме того, в них можно измельчать материалысухим и мокрым способом.Мокрый помол является болееэффективным,так как за одинаковое время при мокром помоле достигается большая дисперсность материала.Сухойпомол ограничивает предел измельчения материала.Вследствиесильного увеличения удельной поверхности измельчаемого материала ивозрастанияв связи с этимадгезионныхсил наступает период,когда измельчение практически заканчивается и материал начинаеткомковатьсяи прибиваться к стенкам мельницы.

Помол в вибрационных мельницах. Так же как вшаровых, в вибрационныхмельницахможно измельчать материалысухим или мокрым способом.Вкачестве мелющих тел приняты металлические или керамические теласоответствующегосостава. Для сохранения чистоты размалываемого материалавибромельницыможнофутероватьрезиной или керамикой одинакового с размалываемым материалом состава. Основным достоинством этих мельниц является значительное сокращение времени измельчения порошковдлядостижения равной дисперсности по сравнению с помолом вшаровых мельницах. Ввибрационных мельницах помолкерамическихпорошков до среднего диаметра в 1-2мкмпрактически заканчивается за 1 ч. В шаровой мельнице для этого требуется иногда до10-20 ч. Для помола керамических порошков должны быть подобраны наиболеерациональныережимы, которые зависят от чистоты и амплитуды колебаний,формы,размеров и удельного веса мелющих тел, соотношения между измельчаемым материалом и мелющими телами, хрупкости и твердости размалываемого материала, степени заполнения и размера мельницы. В отличие от помола вшаровых мельницах, в вибрационных мельницах отдельные зерна порошка испытывают главным образом раздавливающие усилия дробящего импульса. Так как частота колебаний мельницы очень велика, зерна измельчаемого порошка находятся в так называемомусталостномрежиме, при котором не успевает произойти релаксациядеформаций.

Формование изделий. В производстве современной технической керамики наиболее распространеннымявляется применениенепластичныхкристаллических материалов в видепорошков,выпускаемыхпромышленностью,например, окислов, или специально синтезированныхматериаловввидеспеков или брикетов, напримермуллита,стеатита,титанатов,ферритов и др. Спеки или брикеты дробят и затем измельчают до весьма тонкого состояния. Изтонкодисперсныхпорошков, увлажненных водой, практически нельзя изготовить изделие, пользуясь методомпластичногоформования (низкая пластичность). Прессование изделия затруднено. Водное литье в гипсовыеформытребует специальных мер для разжижения и стабилизации неустойчивых, как правило, водных суспензийтонкодисперсныхкристаллических тел.

Необходимость изготавливать изделия из непластичных материалов привела к разработкецелогорядаметодовформования искусственных, восновномкристаллических,материалов. Наиболее распространены следующие методы непластичной технологии:

1) литье из водных суспензий в гипсовые формы;

2) прессование порошкообразных масс в различныхвариантах;

3) обточка заготовок,отпрессованных из пластифицированных масс;

4) литье под давлением пластифицированных горячихшликеров;

5) протяжка пластифицированных масс;

6) прессование при высоких температурах в графитовыхформах.

Кроме этих основныхстолов, имеется еще несколько методов, разработанных специальнодляизготовления изделий определеннойформыи размеров, - методы литья пленок из водного или органическогошликера,намораживанияиз горячего парафиновогошликераи ряд других. Универсального способа изготовления изделий нет.

Спекание технической керамики. При обжиге изделийокончательноформируется структура материала, оказывающаяопределенноевлияниенасвойстваобжигаемого изделия. Впроцессеобжигапроисходит спекание материала.

Спеканиекакпроцессупрочненияи уплотненияспекаемоготела сопровождается рядом физ. и химическихявлений,происходящихпри обжигекерамики.Образованиедостаточно прочноготвердоготела изконгломератанепрочноивременносвязанныхчастицилизерен(сырца) является, таким образом,однойизотличительных особенностей спекания.Второйособенностьюявляетсяизменениеобъема ипористости спекаемого тела.

Спекание керамическихмасс сопровождаетсяпереносомвещества, происходящего врезультатеизмененияповерхностнойэнергии в различных участках системы.Переносвещества может осуществлятьсяразличнымипутями. Механизмы переноса: диффузионный; жидкостной; за счет испарения иконденсации; за счет пластическойдеформации; реакционный.

Обжиг технической керамики. Техническую керамику в зависимости от состава и свойств обжигают начиная от умеренныхтемператур(1200-1300⁰С) до весьма высоких(2000-2500⁰С). Ввиду чувствительности некоторых видов технической керамики к действию вгазовой среды из-за реакций окисления - восстановления их обжигают в условиях определенной регулируемой газовой среды. В этомотношенииособенночувствительныферриты,керметы,рутиловыеи некоторые другие составы керамики.Вряде случаев изделия следует обжигать в среде нейтральных газов - аргона, гелия,иногда ввосстановительнойсреде водорода,аммиака, окиси углерода и др.