Конструкционные наноматериалы

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Белгородский государственный национальный
исследовательский университет»

ФАКУЛЬТЕТ инженерно-физический

КАФЕДРА материаловедения и нанотехнологий

Дисциплина: Теория термической обработки

 

Тема работы: Получение керамических материалов на основе SiO₂ и Al₂O₃

Курсовая работа студента

дневного отделения III курса 190804 группы

 

Бочарова Евгения Андреевича

Научный руководитель:

к. ф.-м. н. Сирота В.В.

 

Проверил: д. ф.-м. н., профессор Кайбышев Р.О.

БЕЛГОРОД, 2011

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.. 2

1 Обзор литературы... 3

1.1 Наноструктурные материалы.. 3

1.2 Особенности получения наноструктурированной керамики. 5

2 ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.. 10

3 МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ.. 11

4 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.. 12

4.1 Зависимость объемной плотности и пористости образцов керамики от давления прессования. 12

4.2 Спекание компактированных материалов состава 30%Al₂O₃-10%Y₂О₃-60%ZrO₂ 15

4.3 Микроструктура спеченной керамики. 16

4.4 Механические свойства образцов состава 30%Al₂O₃-10%Y₂О₃-60%ZrO₂ 20

Заключение.. 22

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ... 23

Введение

 

Керамические материалы на основе ZrO₂ обладают целым рядом уникальных свойств: высокой температурой плавления, стойкостью к коррозии, износу, низкой теплопроводностью, ионной проводимостью; биологической совместимостью, высокой прочностью и вязкостью разрушения. Однако нагрев и охлаждение диоксида циркония сопровождается полиморфными превращениями, причем переход из одной формы кристаллической решетки в другую сопровождается объемным изменением материала и его разрушением. Путем введения двух-, трех- и четырехвалентных катионов решетку ZrO₂ можно стабилизировать тетрагональную и кубическую фазы даже при комнатной температуре и тем самым значительно улучшить эксплуатационные свойства изготовляемых из него керамических конструкционных материалов [1]. Керамика, изготовленная из чистого оксида алюминия, обладает высокой механической прочностью и твердостью, однако характеризуется низкой ударной вязкостью, тогда как тетрагональный оксид циркония обладает высокой механической прочностью, ударной вязкостью и низкой твердостью. Использование композита Al₂O₃-Y₂O₃-ZrO₂ дает возможность компромисса между механическими свойствами, по сравнению с индивидуальными оксидными материалами. Помимо состава, не менее важное влияние на свойства керамического материала оказывает синтез и его последующая обработка, консолидация.

Обзор литературы

Наноструктурные материалы

 

Имеются два пути использования ультрадисперсных материалов: в виде полученного в производстве порошка или в форме компактов – изделий.

Нанопорошки используются как промежуточный продукт, который позволяет создавать материалы с качественно новыми свойствами благодаря тонкой структуре: металлы, сплавы, керамики и различные нанокомпозиты.

Также с применением порошковых нанотехнологий успешно решается проблема хрупкости твёрдых материалов – керамик. Уменьшение размеров кристаллитов для многих типов керамик способствует повышению их трещиностойкости (ударной вязкости) и многократному повышению высокотемпературной пластичности. Ещё более расширяется спектр конструкционных применений керамик благодаря созданию новых нанокомпозитов керамика-керамика и керамика- металл.

Функциональная керамика

Функциональными называют материалы, характеризующиеся ярко выраженным свойством и предназначенные для создания специализированных изделий и устройств.

Это могут быть материалы с особыми физическими свойствами, например, электрическими, магнитными, тепловыми, оптическими, пьезоэлектрическими и другими свойствами. К функциональным материалам относятся аккумуляторы энергии, накопители водорода, катализаторы, сенсорные материалы – преобразователи того или иного внешнего воздействия в электрические сигналы или изменяющие свои размеры, фотоэлектрические, пьезоэлектрические и другие. Как функциональные материалы керамики применяют, например, в качестве резисторов – NbC, SiC; фильтров (пористых изделий) – ZrO2, ZrC, SiC, Al2O3, TiB2, Si3N4, термоэлементов ZrB2, TiC, электродов SiC, LaB6, Y2O3 и др. [5].

Из многочисленного ряда функциональных материалов широкое применение находит пьезосегнетоэлектрическая керамика.

Широко используемая в радиоэлектронике, гидроакустике и бытовой технике сегнето- и пьезоэлектрическая керамика, благодаря своей уникальной способности реагировать на любое физическое воздействие, является особым классом специальных керамических материалов, для изготовления которых применяют различные технологические процессы. Исходным сырьём для получения пьезокерамики служат искусственно синтезированные химические соединения, являющиеся сегнетоэлектриками. Наиболее распространены в настоящее время типы сегнетоэлектрической керамики — однофазные керамические материалы на основе отдельных соединений (титанат бария), двойных и тройных твёрдых растворов (цирконат–титанат свинца). Склонность к образованию твёрдых растворов с неограниченной растворимостью, используют для корректировки параметров сегнетокерамических материалов. При введении малого количества модифицирующих добавок структура керамики на основе твёрдых растворов изменяет незначительно, в то время как электрофизические характеристики изменяют существенно (в некоторых случаях на порядок). Этим объясняется множество разработанных составов для различных практических применений [4].

Изостатическое прессование

Проводится в жидкой (гидростатическое) или газовой (газостатическое) среде. Рабочая среда нагнетается в герметизированную камеру прессования компрессорами и создаёт давление до нескольких тысяч атмосфер. Газостатическое прессование может сочетать высокое давление с повышенной температурой, что позволяет в ряде случаев совместить процесс формования и спекания. Для гидростатического прессования необходимо использование защитных оболочек из резины или другого подходящего материала, изолирующего заготовку от жидкости (минерального масла, спиртоглицериновой смеси и пр.). Порошок после засыпки в оболочки иногда подвергается предварительному вибрационному уплотнению. (Рис.1.1.)

Рис.1.1. Схема изостатического прессования А - оболочка Б - заготовка В - рабочая жидкость

Достоинства метода:

- Равномерность распределения давления и плотности в заготовке за счет всестороннего (изостатического) сжатия;

- отсутствие потерь на трение и необходимости в пластификаторах;

- отсутствие коробления при спекании;

- произвольные соотношения высоты и поперечного сечения заготовок.

Недостатки:

- неточность размеров получаемых заготовок;

- шероховатость их поверхности;

- недостаточно высокая производительность оборудования.

К недостаткам можно отнести и весьма высокую стоимость изготовления и эксплуатации высокотемпературных газостатов, применение которых оправдано с экономической точки зрения только для очень ответственных и дорогостоящих изделий или для материалов, которые не представляется возможным сформовать другими методами.

В некоторых случаях прибегают к приёму изостатической допрессовки заготовок, полученных обычным прессованием, что дает ощутимый эффект повышения их плотности и равномерности её распределения в объёме.

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

 

В качестве объекта исследования явился наноразмерный порошок состава Al₂O₃-70%Y_0.1Zr_0.9O₂, полученный методом химического осаждения из раствора вода-изопропанол в соотношении 1:5.

Цель данной работы – определить влияние технологических параметров (давление холодного изостатического прессования, температура спекания) на свойства керамики Al₂O₃-70%Y_0.1Zr_0.9O₂.

При комплексном исследовании полученных образцов решались следующие основные задачи:

· исследование влияния давления холодного изостатического прессования на свойства компактированных и спеченных керамических материалов состава Al₂O₃-70%Y_0.1Zr_0.9O₂;

· анализ особенностей микроструктуры спеченных образцов состава Al₂O₃-70%Y_0.1Zr_0.9O₂, скомпактированных при различных давлениях;

· исследование механических свойств полученных образцов.

Для решения этих задач была изготовлены экспериментальные образцы и исследованы их свойства.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Заключение

 

Преимуществом керамики является возможность получения заранее заданных характеристик путем изменения состава массы и технологии производства. Керамические материалы благодаря таким свойствам, как высокая нагревостойкость, отсутствие у большинства материалов гигроскопичности, хорошие электрические (пьезоэлектрические, сегнетоэлектрические) и магнитные характеристики при достаточной механической прочности, стабильности характеристик и надежности, стойкость к воздействию излучения высокой энергии и использование достаточно дешевого и доступного сырья обеспечило их широкое применение в различных областях.

Выводы:

1. Плотности образцов, скомпактированных из наноразмерного порошка состава Al₂O₃-70%Y_0.1Zr_0.9O₂,увеличиваются в зависимости от давления компактирования.

2. В микроструктуре образцов существует три фазы (обогащенных оксидом алюминия и обедненных оксидом алюминия) после спекания.

3. Размер зерна уменьшается в зависимсти от давления прессования с 0,56 мкм до 0,45 мкм.

4. Пористость в образцах, скомпактированных из наноразмерного порошка состава Al₂O₃-70%Y_0.1Zr_0.9O₂,уменьшается в зависимости от давления компактирования.

5. Микротвердость образцов, скомпактированных из наноразмерного порошка состава Al₂O₃-70%Y_0.1Zr_0.9O₂,изментяется от 220 – 740 HV, что объясняется наличием трех фаз и содержанием пор.

6. Предел прочности достигает максимального значения 204,64 МРа при максимально приложенном давлении прессования – 400 МРа.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Дудник Е.В. Методы получения дисперсных порошков на основе диоксида циркония / Е.В. Дудник, З.А. Зайцева, А.В. Шевченко // Порошковая металлургия.-1993. - № 7.- С. 24-26.

2. Денисенко Э.Т. Дисперсные кристаллические порошки / Э.Т. Денисенко, О.П. Кулик, Т.В. Еремина // Порошковая металлургия. - 1983. - № 4. - С. 4-5.

3. Рыкалин Н.Н. Возможность получения ультрадисперсных порошков / Н.Н. Рыкалин, В.Б. Федоров, Н.М. Корценштейн // Порошковая металлургия. - 1984.- № 5. - С. 34.

4. Хасанов О.Л. Наноструктурная керамика.Порошковые технологии компактирования конструкционных материалов / О.Л. Хасанов, З.Г. Бикбаева // Томский политехнический университет. – 2009.- С.3-5.

5. Белая книга по нанотехнологиям: Исследования в области наночастиц, наноструктур и нанокомпозитов в Российской Федерации. – М.: Издательство ЛКИ. - 2008.– С.344.

6. Анциферов В.Н. Особенности формирования ультрадисперсного состояния керамических порошков системы ZrO₂—Y₂O₃—Al₂O₃ //Огнеупоры.- 1994.- № 11.- С. 12-13.

7. Дудник Е.В. Спекание ультрадисперсных порошков на основе диоксида циркония /Е.В. Дудник, З.А. Зайцева, А.В. Шевченко // Порошковая металлургия. - 1995. - № 5-6. - С. 43.

8. Лукин Е.С. Современная высокоплотная оксидная керамика с регулируемой микроструктурой. Обоснование принципов выбора модифицирующих добавок, влияющих на степень спекания оксидной керамики //Огнеупоры и техническая керамика. - 1996. - № 5. - С. 2.

9. Третьяков Ю.Д. Химия и технология ВТСП - основные направления развития // Журн. Всес. Хим. Общ. им. Д.И.Менделеева, 1989, т.34, вып.4,. - С.436-445.

10. Балкевич В.Л. Техническая керамика //М. - 1968.- С.45-53.

11. Гегузин Я.Е. Физика спекания //М. - 1984.- С.112-119.

12. Третьяков Ю.Д. Керамика – материал будущего / Ю.Д. Третьяков, Ю.Г. Метлин //М. - 1987.- С.64-72.

13. Карпинос Д.М. Композиционные материалы: Справочник / под ред. Д.М.Карпиноса // Киев. - 1985.- С.88-95.

 

 

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Белгородский государственный национальный
исследовательский университет»

ФАКУЛЬТЕТ инженерно-физический

КАФЕДРА материаловедения и нанотехнологий

Дисциплина: Теория термической обработки

 

Тема работы: Получение керамических материалов на основе SiO₂ и Al₂O₃

Курсовая работа студента

дневного отделения III курса 190804 группы

 

Бочарова Евгения Андреевича

Научный руководитель:

к. ф.-м. н. Сирота В.В.

 

Проверил: д. ф.-м. н., профессор Кайбышев Р.О.

БЕЛГОРОД, 2011

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.. 2

1 Обзор литературы... 3

1.1 Наноструктурные материалы.. 3

1.2 Особенности получения наноструктурированной керамики. 5

2 ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.. 10

3 МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ.. 11

4 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.. 12

4.1 Зависимость объемной плотности и пористости образцов керамики от давления прессования. 12

4.2 Спекание компактированных материалов состава 30%Al₂O₃-10%Y₂О₃-60%ZrO₂ 15

4.3 Микроструктура спеченной керамики. 16

4.4 Механические свойства образцов состава 30%Al₂O₃-10%Y₂О₃-60%ZrO₂ 20

Заключение.. 22

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ... 23

Введение

 

Керамические материалы на основе ZrO₂ обладают целым рядом уникальных свойств: высокой температурой плавления, стойкостью к коррозии, износу, низкой теплопроводностью, ионной проводимостью; биологической совместимостью, высокой прочностью и вязкостью разрушения. Однако нагрев и охлаждение диоксида циркония сопровождается полиморфными превращениями, причем переход из одной формы кристаллической решетки в другую сопровождается объемным изменением материала и его разрушением. Путем введения двух-, трех- и четырехвалентных катионов решетку ZrO₂ можно стабилизировать тетрагональную и кубическую фазы даже при комнатной температуре и тем самым значительно улучшить эксплуатационные свойства изготовляемых из него керамических конструкционных материалов [1]. Керамика, изготовленная из чистого оксида алюминия, обладает высокой механической прочностью и твердостью, однако характеризуется низкой ударной вязкостью, тогда как тетрагональный оксид циркония обладает высокой механической прочностью, ударной вязкостью и низкой твердостью. Использование композита Al₂O₃-Y₂O₃-ZrO₂ дает возможность компромисса между механическими свойствами, по сравнению с индивидуальными оксидными материалами. Помимо состава, не менее важное влияние на свойства керамического материала оказывает синтез и его последующая обработка, консолидация.

Обзор литературы

Наноструктурные материалы

 

Имеются два пути использования ультрадисперсных материалов: в виде полученного в производстве порошка или в форме компактов – изделий.

Нанопорошки используются как промежуточный продукт, который позволяет создавать материалы с качественно новыми свойствами благодаря тонкой структуре: металлы, сплавы, керамики и различные нанокомпозиты.

Также с применением порошковых нанотехнологий успешно решается проблема хрупкости твёрдых материалов – керамик. Уменьшение размеров кристаллитов для многих типов керамик способствует повышению их трещиностойкости (ударной вязкости) и многократному повышению высокотемпературной пластичности. Ещё более расширяется спектр конструкционных применений керамик благодаря созданию новых нанокомпозитов керамика-керамика и керамика- металл.

Конструкционные наноматериалы

Наноструктурная керамика составляет один из типов наноматериалов. Керамика – неметаллические неорганические материалы на основе кристаллических соединений неметаллов и металлов, синтезированных и консолидированных различными методами для придания заданных свойств и геометрии.

Керамика относится к структурно – и фазочувствительным материалам. Даже при одинаковом химическом составе свойства керамических материалов могут сильно различаться в зависимости от исходных материалов, методов и параметров технологии, структуры и фазового состава спечённых материалов, промежуточных методов обработки и качества поверхности, методов определения свойств. Для тугоплавких соединений, составляющих основу керамических конструкционных материалов, характерна низкая технологичность, то есть из них трудно формовать заготовки деталей, спекать до высоких значений плотности, обрабатывать до заданных размеров. Технологические трудности нарастают от оксидов к нитридам и карбидам [4].

Керамики обладают высоким уровнем межатомной связи и применяются в качестве конструкционных и функциональных материалов. Конструкционными называют материалы, обеспечивающие целостность и несущую способность конструкций тех или иных изделий. Для таких материалов важными, как правило, являются физико-механические свойства: модули сдвига и упругости, пределы прочности, относительные удлинения и другие. В качестве конструкционных жаропрочных и коррозионно-стойких материалов применяют SiC, Si3N4, ZrO2, ZrC, Al2O3, TiC, BeO, MgO, AlN, ZrB2 и др.

Использование современных конструкционных материалов обычно ограничивается тем, что увеличение прочности приводит к снижению пластичности. Данные по нанокомпозитам показывают, что уменьшение структурных элементов и более глубокое изучение физики деформационных процессов, которые определяют пластичность наноструктурных материалов, могут привести к созданию новых типов материалов, сочетающих высокую прочность и пластичность.

Функциональная керамика

Функциональными называют материалы, характеризующиеся ярко выраженным свойством и предназначенные для создания специализированных изделий и устройств.

Это могут быть материалы с особыми физическими свойствами, например, электрическими, магнитными, тепловыми, оптическими, пьезоэлектрическими и другими свойствами. К функциональным материалам относятся аккумуляторы энергии, накопители водорода, катализаторы, сенсорные материалы – преобразователи того или иного внешнего воздействия в электрические сигналы или изменяющие свои размеры, фотоэлектрические, пьезоэлектрические и другие. Как функциональные материалы керамики применяют, например, в качестве резисторов – NbC, SiC; фильтров (пористых изделий) – ZrO2, ZrC, SiC, Al2O3, TiB2, Si3N4, термоэлементов ZrB2, TiC, электродов SiC, LaB6, Y2O3 и др. [5].

Из многочисленного ряда функциональных материалов широкое применение находит пьезосегнетоэлектрическая керамика.

Широко используемая в радиоэлектронике, гидроакустике и бытовой технике сегнето- и пьезоэлектрическая керамика, благодаря своей уникальной способности реагировать на любое физическое воздействие, является особым классом специальных керамических материалов, для изготовления которых применяют различные технологические процессы. Исходным сырьём для получения пьезокерамики служат искусственно синтезированные химические соединения, являющиеся сегнетоэлектриками. Наиболее распространены в настоящее время типы сегнетоэлектрической керамики — однофазные керамические материалы на основе отдельных соединений (титанат бария), двойных и тройных твёрдых растворов (цирконат–титанат свинца). Склонность к образованию твёрдых растворов с неограниченной растворимостью, используют для корректировки параметров сегнетокерамических материалов. При введении малого количества модифицирующих добавок структура керамики на основе твёрдых растворов изменяет незначительно, в то время как электрофизические характеристики изменяют существенно (в некоторых случаях на порядок). Этим объясняется множество разработанных составов для различных практических применений [4].