Химическая и радиационная стойкость керамики
Рефераты >> Химия >> Химическая и радиационная стойкость керамики

Спекание без добавок при 2150-2200°С не позволяет полу­чать беспористые изделия как из-за низкого коэффициента объем­ной диффузии, так и из-за высокой летучести SiC при этих темпе­ратурах. Получаемый материал называют рекристаллизованным карбидом кремния. Благодаря отсутствию добавок он мало меняет свои прочностные свойства до 1500°С.

Реакционное спекание осуществляют за счет взаимодействия смеси SiC+C с кремнием.

Использование добавок бора и (или) алюминия с углеродом поз­воляет получать без горячего прессования беспористую керамику, применяемую в качестве конструкционной.

Для исключения нежелательного перехода β→α-SiC в процес­се службы, приводящего к снижению прочности, получают кера­мику из α-SiC. Облегчению перехода β→α -SiC способствуют до­бавки, например BeO, A1 N , а также введение до 5 мас. % α-SiC в качестве затравок.

Керамические детали из плотного SiC используют для изготовле­ния роторов,газовых турбин, накладок на поршни, подшипников, филь­ер, высокотемпературных теплообменников, форсунок, горелок и т. д. Керамические пресс-формы из SiC выдерживают до 500 тыс. циклов. Для предотвращения окисления на поверхность изделий наносят оксидные покрытия, которые часто содержат редкоземельные элементы. Для спекания карбида кремния можно применять различные связки: оксидные — кремнеземистые, алюмосиликатные; нитридные — Si3N4 и оксинитридные – Si2ON2.

Полупроводниковые свойства SiC на оксидных алюмосиликатных связках используют в производстве варисторов — элементов с нелинейными вольт-ампер­ными характеристиками.

Добавка ВеО позволяет получить керамику, в которой кристал­лы SiC разделены электроизолирующими, но теплопроводными прослойками. Такую керамику можно использо­вать в качестве теплопроводящих электроизолирующих элементов электронных приборов (подложки, прокладки, корпуса и т. д.).

Карбид кремния широко используют при производстве электро­нагревателей. Для этой цели применяют зеленый SiC, который от­личается от черного зависимостью электросопротивления от темпе­ратуры.

Повышения термостойкости нагревателей добиваются исполь­зованием зернистых масс, которые формуют обычно пластическим методом. Наличие пор, в первую очередь открытых (20-25%), увеличивает окисление и уменьшает срок службы. При окислении по границам кристаллов образуются прослойки SiO2 и сопротив­ление нагревателей возрастает. Это явление называют старением нагревателей. Максимальная допустимая рабочая температура на поверхности промышленных кремниевых электронагревателей при службе в воздушной среде составляет 1450°С, ее повышение до 1500—1600°С возможно за счет снижения открытой пористости до 10-12%. Газовые среды основного характера, особенно содержащие оксиды щелочных металлов, например при варке некоторых стекол, резко сокращают срок службы нагревателей. Для увеличения срока службы на рабо­чую часть нагревателей наносят специальные оксидные покрытия, защищающие карбид кремния от окисления.

2.Керамика из нитридов.

Нитриды - соединения металлов и неметаллов с азотом. Они, как правило, имеют более низкие температуры плавления и менее устойчивы к окислению, чем карбиды соответствующих элементов.

Большинство нитридов относится к фазам внедрения, обладает металлическим блеском, электрической проводимостью, большой твердостью, но они нестойки к воде, кислотам и щелочам, что огра­ничивает их применение. Некоторые нитриды элементов III и IV групп периодической системы не относятся к фазам внедрения и являются полупроводниками или диэлектриками.

Нитриды в качестве основной фазы или добавок используют в керамике или керамических композиционных материалах, приме­няемых в машиностроении. Например, нитрид титана используют как основную фазу или как добавку в керамике для режущих инст­рументов и подшипников. Методом горячего изотермического прессования получают плотную кера­мику на основе TiN с прочностью при изгибе 500 Мпа. В воздушной сре­де керамику можно использовать до 750°С. Наиболее широко ис­пользуют нитриды кремния, алюминия и бора.

Порошки нитридов получают описанными выше для бескисло­родных соединений способами из исходных элементов или эле­мент- и азотсодержащих соединений. Широко распространены карботермические методы. Вариантом этих методов является об­работка в азотсодержащей среде соответствующих элементоорга-нических соединений. Эффективным является предварительное получение имидов при низких температурах из элементсодержащих соединений (хлоридов, гидридов, алкоксидов) и жидкого аммиака. Имиды можно рассматривать как соединения, получае­мые при замене части водорода в аммиаке на соответствующий элемент. Дальнейшая термообработка в азоте приводит к образо­ванию высокодисперсных порошков нитридов.

Кремний образует с азотом только одно соединение — нитрид кремния Si3N 4 в виде двух гексагональных модификаций: α-Si3N4 c плотностью 3,169 г/см3 и β-Si3N4 с плотностью 3,192 г/см3. В за­висимости от содержания примесей или добавок, состава и давле­ния газовой среды, а также температуры возможен переход из од­ной модификации в другую, чаще из α в β.

. Более низкий, чем у SiC, ТКЛР в сочетании с высокой до­лей ковалентности и прочностью химических связей обеспечивает керамике на основе Si3N4 более высокую термостойкость. Теорети­чески по комплексу термомеханических свойств керамика на основе Si3N4 наиболее подходит для применения в машиностроении.

Нитрид кремния является хорошим диэлект­риком. Его нельзя обрабатывать электроискровым методом. Что­бы исключить этот недостаток, в керамику на основе нитрида кремния можно ввести достаточное для образования непрерывной фазы количество электропроводящей добавки, например TiC, SiC, TiN и т. д.

Нитрид кремния обладает устойчивостью к кислотам, парам во­ды, многим расплавленным металлам: Al, Pb, Zn, Sn и др., достаточ­но устойчив к окислению при умеренных температурах. Это позволя­ет применять его в качестве основной фазы при изготовлении резцов для обработки нержавеющих сталей, цветных металлов и их сплавов. Они обеспечивают скорость резания до 1000 м/мин, не содержат де­фицитных компонентов, менее изнашиваются и по комплексу свойств превосходят резцы на основе WC. Экономия затрат от заме­ны резцов на основе WC на резцы из SiзN4 составляет 25-70%.

Шариковые подшипники из нитрида кремния успешно исполь­зуют при температуре до 800°С, в то время как металлические — не выше 120°С. Хорошие электроизолирующие свойства позволяют использовать нитрид кремния для изготовления свечей зажигания. Малая истинная плотность SiзN4 является дополнительным пре­имуществом при использовании керамики в двигателях и особенно в авиационной и ракетно-космической технике.

Для синтеза высокодисперсных порошков SiзN4 используют те же методы, что и для других бескислородных соединений, напри­мер, SiC.

Керамику на основе SiзN4 cпекают различными методами: ре­акционным спеканием, горячим прессованием, их комбинацией.

Реакционное спекание без добавок обычно не позволяет полу­чать изделия с относительной плотностью >85%. Добавки, осо­бенно при использовании горячего изотермического прессования, позволяют получать плотную и вы­сокопрочную керамику, но ее прочность при высоких температурах резко падает при появлении жидкой фазы. В качестве добавок на­иболее часто используют оксиды щелочно-земельных и редкозе­мельных металлов. Наиболее широко применяют добавки: MgO, Y2O3, СеO2. Обычно материалы с наиболее дешевой добавкой MgO имеют более низкую прочность при комнатной и высоких температурах, что обусловлено более низкой прочностью силика­тов магния, образующихся на границах кристаллов. Хорошие ре­зультаты дают комплексные добавки: ЗY2Оз·5А120з; ВеО·Аl2Оз и т. п. Плотную керамику без добавок получают также при ис­пользовании реакционного спекания порошка кремния под высо­ким и меняющимся по определенному закону давлением азота.


Страница: