Разделы сайта

Читаемое

Обновления Sep-2017

Промышленность Ижоры -->  Керамические композиционные материалы 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 [ 41 ] 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123

сверхнизкий уровень вязкости разрушения, сопротивления термоудару и прочности на растяжение.

В настоящее время развиваются новые направления использования перспективных керамических материалов, в том числе высокотемпературные сверхпроводники, композиционные керамические материалы специальные пористые материалы, а также биокерамические материалы для использования в медицине.

Конструкционная керамика в настоящее время применяется при изготовлении автомобильных двигателей различного типа. Это обусловлено рядом таких свойств, как высокое значение температуры плавления и размягчения под давлением, стойкость к воздействию абразивных и агрессивных сред при низких и высоких температурах, а также величиной теплопроводности и плотности. При изготовлении двигателей из керамики уменьшается суммарная масса изделия, расход топлива, стоимость.

Спектр современных керамических материалов специального назначения весьма широк и разнообразен как по составу, структуре, свойствам (функциям), так и по области применения. С особой интенсивностью ведутся в настоящее время работы по созданию и применению конструкционных керамических материалов, т. е. материалов, пригодных к эксплуатации при воздействии одновременно высоких температур, механических нагрузок, коррозионных сред. Это диктуется развитием в первую очередь двигателестроения. Преодоление порога температур выше 1100...1200 °С, как показали расчеты, позволяет существенно повысить КПД двигателей, обеспечить полноту сгорания топлива, снизить массу двигателя.

Многие керамические материалы на основе оксидов, нитрида и карбида кремния, сиалонов имеют достаточно высокие прочностные характеристики при этих температурах (a = 100...300 МПа). Однако проблема хрупкости керамики до сих пор является главным препятствием ее использования в качестве конструкционного материала. Именно хрупкость, связанная с кристаллическим строением керамики, приводит к низкой вязкости разрушения, низкой стойкости к термоударам и низкой надежности.

Керамико-металлические композиционные материалы - керметы. Первые работы по преодолению хрупкости керамики бьши направлены на создание специальных композиций керамики с металлами, так называемых керметов. Первые исследования бьши направлены на создание кер-метов для изготовления режущего инструмента с использованием бескислородных соединений. В качестве керамики использовали бескислород-

ные соединения: карбиды, бориды, нитриды и др. В твердых сплавах карбид юльфрама-кобальт (ВК-4, ВК-6, ВК-8 и др.) удалось получить высокие значения прочности и вязкости разрушения даже при небольших содержаниях металла. Тем не менее использовать эти керметы в качестве конструкционного материала невозможно из-за низкой стойкости к окислению при температурах выше 800...1000 °С. Поэтому усилия исследователей бьши сосредоточены на керметах оксид-металл [20].

Одним из эффективных способов повышения вязкости разрушения керамик является формирование различных гетерогенных структур, способствующих отклонению траектории трещины, ее разветвлению и как следствие повышению диссипации энергии при разрушении. Выполненные в МАТИ исследования показали, что такой эффект может быть достигнут в керамических материалах со слоистой структурой, способствующей разветвлению трещины. Исследовали материалы со структурными ячейками (гранулами):

- из чередующихся слоев мелкокристаллического AljOj с размерами кристаллов 1...2мкм (тип материала 1);

- из чередующихся слоев мелкокристаллического AI2O3 и технического глинозема, состоящего из пористых сферолитов (тип материала 2);

- из чередующихся слоев мелкокристаллического AljOj и полых корундовых микросфер диаметром 20...100 мкм (тип материала 3);

- из чередующихся слоев мелкокристаллического AI2O3 и металлического хрома (тип материала 4).

При этом для материалов типов 2, 3 наблюдается распространение трещины по пористым слоям из сферолитов и полых микросфер соответственно. Диссипация энергии распространяющейся трещины в материале типа 3 достигалась за счет раскрытия полых микросфер в слоях. Для материалов типов 3, 4 характерно пересечение трещиной слоев внутри ячеек с образованием ступенек. Для материала типа 2 бьша зафиксирована локализация трещины на межслойной границе. Максимальные значения параметров К и удельной работы разрушения уу (табл. 3.13) свойственны керметным материалам типов 4, 5. Однако при одинаковом содержании металлического хрома в обоих материалах величина у в слоистом материале в 2,5 раза превышает ту же характеристику мелкокристаллического материала.

В результате исследований установлено, что для оксида алюминия со слоистой структурой достигнуты максимальные величины параметров трещиностойкости К и yv, равные 4,0 МПа-м/ и 250Дж/м2 соответ-

енно. Для кермета AI2O3-Сг со слоистой структурой эти параметры



Таблица 3.13. Параметры трещиностойкости материалов

Тип материала

Открытая пористость, %

Щ, МПа-м/2

7/, Дж/м2

1000

составили 6,0 МПа м/ и 1000 Дж/м соответственно (табл. 3.13). Разрушение слоистых материалов имеет дискретный характер и сопровождается ветвлением трещины по межслойным границам и по границам слоистых ячеек. Кинетической особенностью разрушения слоистого материала является наличие стадий ускорения и торможения трещины в результате изменения ее ориентации по отношению к направлению действия максимальных растягивающих напряжений. Пластичность керме-тов со слоистой структурой сушественно превосходит свойства керметов с традиционной дисперсной структурой, так как при испытании на сжатие получены значения предельной деформации 1,6 и 8 % для керметов AljOj-Сг с дисперсной и слоистой структурами соответственно.

Представляют интерес новые методы получения керметов, такие как объемное восстановление для несгораемых анодов CujO-Cu в процессах высокотемпературного электролиза (в частности, алюминия) [21].

В настоящее время в установках для плавки никеля, титана, циркония и др. металлов используются тигли из диоксида циркония. Модифицирование диоксида циркония металлами (Ti, Zr, W, Мо, Сг, V, Ni) позволяет повысить термостойкость и снять напряжения при термоударах за счет металлической прослойки. Тигли из ZrOj, модифицированного титаном, рекомендованы для плавки титана. Разработан пористый кермет AI2O3-AI, получаемый путем гидротермального окисления (ГТО) порошкообразного алюминия в замкнутом объеме пресс-формы. Изучено формирование пористой структуры керметов в зависимости от условий их синтеза.

Существуют два наиболее эффективных направления поиска прочных, вязких керамических материалов без металлических включений:

1) создание трансформационно-упрочненной керамики с дисперсными включениями метастабильной керамической фазы, в результате мар-тенситного превращения которой повышается прочность и вязкость керамики;

2) создание композитов керамическая матрица-керамическое волокно.

ZrO, (М)

1200 °С 1000 °с

ZrO, (Т)

2300 С 2300 °С

ZxO. (К)

Моноклинная низкотемпературная модификация при нагреве до температуры -1200 °С переходит в тетрагональную форму. Этот переход сопровождается объемным сжатием на 4...5 %. При охлаждении до температуры ниже 1000 °С происходит обратный переход в моноклинную модификацию, а также соответственное увеличение объема и снижение плотности.

Моноклинная модификация ZrOj имеет параметры решетки: а = 0,517нм, b = 0,526 нм, с = 0,530 нм, р = 80°8 и плотность 5,56 г/см. Тетрагональная модификация ZrOj относится к структурному типу флюорита с параметрами решетки: а = 0,5074нм, с = 0,5160 нм, плотность 6,10 г/см. Кубическая модификация ZrOj образуется при 2300 °С без заметных объемных изменений и является обратимой формой.

Для достижения высокой прочности и особенно трещиностойкости керамических материалов используют эффекты, связанные с полиморфным превращением диоксида циркония из метастабильной тетрагональной модификации в стабильную моноклинную. Такое превращение инициируется внешними механическими нагрузками и приводит к необратимым затратам работы при деформировании и разрушении материала (рис. 3.13). В системах с дисперсными частицами диоксида циркония получены уникальные материалы, имеющие прочность при изгибе выше 1500 МПа (рис. 3.14) и трещиностойкость isTi более 30 МПа-м/ [22].

ни обладают также повышенной устойчивостью к медленному росту трещины и термостойкостью.

Многими экспериментами доказано, что М-Т-превращение ZrOj ВДяется бездиффузионным (мартенеитным). Исключение составляют

Трансформационно-упрочненные керамические материалы. Возможность упрочнения керамики путем формирования в ее структуре дефектов в виде включений, находящихся в метастабильном напряженном состоянии, была показана на керамике из оксида циркония. Эффект трансформационного упрочнения керамики из диоксида циркония можно использовать для повышения вязкости других типов конструкционных керамических материалов, вводя порошки частично стабилизированного ZrOj, подбирая режимы спекания и изучая взаимодействие фаз.

Диоксид циркония существует в трех полиморфных модификациях -моноклинной (М), тетрагональной (Т) и кубической (К):



твердые растворы в системе ZrOj-HfOj, полиморфное превращение в которых при высоких температурах протекает с участием диффузии.

По микроструктурному признаку различают три типа керамических материалов, трансформационно-упрочненных диоксидом циркония [22]-

- частично стабилизированный диоксид циркония (ЧСЦ), содержащий вьщеления тетрагональной модификации ZrOj (T-ZrOj) в матрице из кубического ZrOj;

- материалы, содержащие диоксид циркония в отличающейся по составу керамической матрице, например в AI2O3, SiN, ZnO, SiC;

- поликристаллический тетрагональный диоксид циркония (ЦТП) с ультрадисперсной структурой.

Эффект трансформационного упрочнения был впервые получен для Zr02, частично стабилизированных оксидом кальция. Стабилизация Zr02 достигается преобразованием тетрагональной решетки в устойчивую


- исходные метастабильные частицы гю, с тетрагональной решеткой;

Ij - частицы /Ю, с моноклинной

решеткой в результате мартенсит-ного превращения (ТМ);

- поле напряжений у вершины трещины

Спеченная поверхность

Поверхность после спечения и охлаждения

Поверхность после абразивной обработки




О - ХЮ, с тетрагональной решеткой; - с моноклинной решеткой;

- слой с сжимающим напряжением

Рис. 3.13. Схема пластифицирования, вызванного мартенситньш превращением: поле напряжений, вызванное превращением метастабильных частиц 2Ю2, препятствует распространению трещин (верхний рисунок); формирование на поверхности зоны сжимающих напряжений, повышающих сопротивление износу (нижний рисунок)

(Тз, МПа 1600-1400 1200 1000 h

200 О

>2000 >2000

AUOj

2MgO- MgO- -2510. 2А1:Оз- .А1,0 5SiO,

AUTiO,

ZrOy AI2O3

Al.O AUO,

Рис. 3.14. Прочность различных керамических материалов, упрочненных частицами ZrOj (а и Q поля) и без упрочнения (cm)

при всех температурах кубическую и сопровождается образованием твердых растворов (типа замещения) некоторых оксидов-стабилизаторов с Zr02. Такие твердые растворы с ограниченной растворимостью образует ряд оксидов СаО, MgO и Y2O3, ионные радиусы которых равны (нм): Са - 0,106; Mg2+ - 0,078; Zr - 0,087; Y - 0,016.

В системе Zr02-CaO образуется одно бинарное соединение - цир-конат кальция СаО ZrOj, плавящееся при 2330 °С. Это соединение имеет важное значение в технологии производства изделий из ZЮ2. В системе ZЮ2-MgO образуются твердые растворы (до 40% MgO) с кубической решеткой, у которых отсутствуют полиморфные превращения. Кроме катионов Са , Mg , стабилизирующее действие на решетку ZrOj оказывают катионы Th (/ = 0,095 нм), Се* (г = 0,102 нм) и др.

Стабилизированный диоксид циркония, представляющий собой твердый раствор стабилизирующего оксида (СаО, MgO и др.) в ZrOj и имеющий кристаллическую решетку кубической формы, обычно называют кубическим Zr02. Однако не надо забывать, что это не чистый диоксид циркония.



1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 [ 41 ] 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123

© 2003 - 2017 Prom Izhora
При копировании текстов приветствуется обратная ссылка