Техническая керамика

 

 

 

 

 

Доклад  по химии

по теме: Техническая керамика.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Студент: Бозин А.М.   

Группа: Рд 11    

Руководитель: Иванская Н.Н.  

 

Техническая керамика.

Понятие о  технической керамике.

Техническая керамика — большая группа керамических изделий и материалов, получаемых термической обработкой массы заданного  химического состава из минерального сырья и других сырьевых материалов высокого качества, которые заданную прочность, электрические свойства.

Классификация технической керамики.

В данном докладе представлена классификация, в основу которой положен признак  наличия в изготовленном изделии  определенного химического вещества, кристаллическая фаза которого преобладает  в этом виде керамики. Как видно из таблицы классификации, техническая керамика более всего применяется в радиоэлектронике и радиотехнике.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Классификационная таблица  №1

Класс	Вид	Основные области применения
1)Из высокоогнеупорных оксидов  (оксидная керамика)	Из оксида алюминия (корундовая керамика)	Огнеупорные изделия, вакуумная техника, конструкционные детали, химически  стойкие и электроизоляционные  изделия
	Из диоксида циркония	Огнеупорные изделия, конструкционные  детали
	Из оксида бериллия	Атомная энергетика, радиоэлектроника
	Из оксида иттрия	Авиация и электроника
	Из оксида магния	Огнеупорные и химически стойкие  изделия
	Из оксида кальция	То же
	Из оксида тория	Огнеупорные изделия, атомная энергетика
	Из оксидов урана	Атомная энергетика
	На основе диоксида кремния	Авиация, металлургия
2)На основе силикатов и алюмосиликатов	Муллитовая и муллито-корундовая	Электроника и радиотехника
	Клиноэнстатитовая	Вакуумная радио- и электротехника
	Форстеритовая	Вакуумная техника
	Корднеритовая	Электротехника
	Циркониевая	Электро- и радиотехника
	Цельзиановая	Радиотехника
	Литийсодержащая	>>
	Волластонититовая	>>
3)На основе двуокиси титана, титанатов, цирконатов и соединений с подобными свойствами	На основе диоксида титана	Радио- и электротехника
	На основе титанатов	Конденсаторы и пьезоэлементы, радиоэлектроника
	На основе цирконатов и соединений с пьезоэлектрическими свойсвами	То же
4)На основе шпинелей	Магнезиальная шпинель	Огнеупорные изделия, электровакуумная и радиотехника
5) На основе хромитов редкоземельных  элементов	Феррошпинели	Электроника и радиотехника
	Хромит лантана	Высокотемпературные нагреватели, электропроводящие  элементы
6) На основе тугоплавких бескислородных соединений	Хромит иттрия	То же
	Карбиды, бориды, силициды, иттриды	Огнеупорные изделия, электронагреватели конструкционные материалы
7)Композиционные материалы	_____	Конструкционные детали, огнеупорные  изделия

 

Механические  свойства технической керамики.

Керамические  материалы, как и всякое твердое  тело, оценивают по пределу прочности  при сжатии, растяжении, статическом  и динамическом изгибах, скручивании, а также по модулям упругости и сдвига, иногда и по коэффициенту Пуассона.

Твердые неорганические материалы принято  разделять по характеру их разрушения на хрупкие, полухрупкие и пластичные. Хрупкие материалы характеризуются полным отсутствием пластической деформации. В результате действия на керамику разрушающих усилий при нормальной температуре типичен хрупкий характер разрушения. Характерная для металлов пластическая деформация предшествующая разрушению, в керамике почти полностью отсутствует.

Характер  разрушения керамических материалов в зависимости от их фазового состояния различен. Их разрушение при сжатии, изгибе или растяжении происходит по телу стекловидной фазы, либо по кристаллам. В некоторых случаях в материалах чисто кристаллического строения разрушение происходит по границам зерен без нарушения их целостности. В керамике кристаллического строения прочность связана с энергией кристаллической решетки данного вещества, с межатомными силами. Если керамика муллитокремнеземистая или стеатитовая, содержит значительное количество стекловидной фазы, то разрушение обычно происходит в первую очередь по стеклу, обладающему меньшей прочностью. Однако в некоторых случаях при минимальном содержании стекловидной фазы, находящейся в сжатом упрочненном состоянии, первоначальное разрушение может произойти и по телу кристалла. Прочность бездефектного тела связана с силами внутриатомной связи. В большинстве керамических материалов наиболее прочная связь – ионная. Однако для некоторых бескислородных материалов характерна ковалентная связь. В реальных керамических материалах имеется большое количество дефектов как на микро-, так и на макроуровне, приводящих к концентрации напряжений.

Прочность некоторых керамических материалов кристаллического строения, рассчитанная теоретически по прочности межатомных связей, составляет порядка 10⁵МПа. Однако практическая прочность керамики значительно ниже.

Керамические  материалы являются, как правило, многофазовыми. Кристаллическая фаза практически всегда имеет дефектную  структуру, обусловленную образование  микротрещин, дислокаций, внедрением в  кристаллическую решетку примесных ионов, наличием вакансий. Содержащиеся в керамике поры также способствуют снижению ее прочности.

Снижение  практической прочности керамического  материала по сравнению с его  теоретической прочностью и дальнейшее его разрушение под влиянием разрушающих  нагрузок является также, по Гриффитсу, следствием содержания в керамике мельчайших и мелких трещин, у которых происходит концентрация напряжений. Одной из основных причин, способствующих разрушению материала, может быть различие температурных коэффициентов линейного расширения фаз, входящих в многофазовую керамику и приводящих к повышению напряжений на границах этих фаз в случае изменения температуры.

Гриффитс предположил, что причина разрушения материала - мельчайшие трещины на его поверхности, которые растут при приложении напряжения. Когда трещина растет, поверхностная энергия возрастает за счет образования новых поверхностей трещин, упругая деформация убывает. Энергия U, необходимая для образования дух новых поверхностей, равна:

U,

Где g – поверхностная энергия на единицу площади; c – длина трещины.

Гриффитс также установил, что напряжение s, необходимое для распространения трещины, обратно пропорционально квадратному корню из длины тещины:

.

Из  данного уравнения следует, что  прочность керамического материала  снижается по мере  развития трещины.

Абсолютные  значения прочности отдельных видов  керамики различны. Наибольшей прочностью при нормальных температурах обладает керамика кристаллического строения, главным образом оксидная. Модуль упругости оксидной конструкционной керамики колеблется в пределах от 10⁵ МПа до 4*10⁵ МПа. Прочность того или иного вида материала при условии постоянного химического и фазового состава зависит от структуры этого материала и может меняться под действием внешних факторов (переменных нагрузок, действия излучения), которые в той или иной мере приводят к изменению прочности керамики.

Важно знать, что прочность керамики, как правило, снижается с повышением температуры. Только в исключительных случаях наблюдается незначительное упрочнение, предшествующее значительному снижению прочности. Снижение прочности керамики кристаллического строения происходит плавно и главным образом обусловлено ослаблением структурных связей при повышении температуры. В многофазовой керамике, содержащей некоторое количество стекловидной фазы, наибольше падение прочности наблюдается в тех случаях, когда сильно снижается вязкость этой фазы.

Свойства  конструкционной керамики при высоких  температурах оценивают путем измерения ее ползучести. Ползучесть характеризует скорость линейных изменений образца под действием постоянной сжимающей или изгибающей силы при постоянной температуре в течение длительного времени, отнесенных первоначальной длине образца. Скорость ползучести выражается уравнением:

 

где ε – скорость ползучести; S – структурный фактор; Q – энергия активации; R – газовая постоянная; T – температура; σ – напряжение; n – постоянная, значение которой составляет 1 - 2.

Ползучесть - характерный вид необратимой  деформации, обусловленный скольжением  по границам отдельных кристаллов или  перемещениями дислокаций. Скорость ползучести керамики зависит от нагрузки, температуры, размера зерен кристаллов. С увеличением нагрузки и температуры  скорость ползучести возрастает.

На  прочность керамики влияют ее структура  и пористость. С повышением пористости все ее прочностные характеристики снижаются вследствие концентрации напряжений вокруг пор и уменьшения. Контактной поверхности соприкосновения отдельных зерен. Мелкозернистая керамика обычно обладает большей прочностью, чем крупнозернистая, при одном и том же химическом и фазовом составе.

 

Теплофизические свойства.

К теплофизическим свойствам керамики относятся ее теплоемкость, теплопроводность, тепловое расширение, лучеиспускание. Теплоемкость керамики кристаллической структуры подчиняется закону Дюлинга и Пти, по которому она равна приблизительно 24.7 Дж/(г*атом*К). теплоемкость весьма сильно меняется при низких температурах и незначительно при высоких, особенно после 1000°С. Теплоемкость есть свойство самого вещества, она не зависит от структуры, пористости, плотности, размеров кристаллов и других факторов.

Теплопроводность  характеризует скорость переноса теплоты  материалом. Она зависит от состава  стекловидной и керамической фаз а также от их пористости. Теплопроводность принято характеризовать уравнением теплового потока:

 

где Q – количество теплоты; δ – толщина стенки; F – площадь прохождения теплового потока; τ – время; t₁, t₂ – температура на горячей и холодной поверхности соответственно.

Теория  теплопроводности основана на представлении  о переносе теплоты в твердых  неметаллических телах тепловыми  упругими волнами – фононами. Теплопроводность вещества зависит от длины свободного пробега фононов и степени  нарушения колебаний тепловых волн во время их прохождения через данное вещество. В связи с этим степень теплопроводности определяют структура вещества, число и вид атомов и ионов, рассеивающих тепловые колебания. Кристаллы с более сложным строением решетки, как правило, имеют более низкую теплопроводность, так как степень рассеивания тепловых упругих волн в такой решетке больше, чем в простой. Снижение теплопроводности наблюдается также при образовании твердых растворов, так как при этом образуются дополнительные центры рассеивания тепловых упругих волн. В стеклах, характеризующихся разупорядоченным строением, длина пробега фононов не превышает межатомных расстояний, и теплопроводность стекла соответственно меньше, чем теплопроводность керамики, содержащей значительное количество кристаллической фазы.

Особенно  важно учитывать при применении керамики изменение ее теплопроводности при изменении ее температуры. Теплопроводность спеченной керамики кристаллического строения, особенно оксидной, с повышением температуры, как правило, сильно падает. Исключение составляет диоксид циркония, теплопроводность которого при нагревании возрастает. Теплопроводность стекла и керамики, содержащей значительное количество стекла, с нагревом увеличивается. Теплопроводность пористой керамики, изготавливаемой из чистых оксидов, достаточно низка для использования в качестве теплоизоляционного материала.

Термическое расширение керамики – следствие  увеличения амплитуды колебаний  ионов и атомов относительно их положения  равновесия, происходящее под влиянием температуры. Поэтому коэффициент  линейного расширения керамики не постоянен  при любой температуре. Для большинства  керамических материалов он повышается с температурой.

 

Обычно  измеряется не объемный, а линейный коэффициент расширения, составляющий 1/3 от объемного.

Термическое расширение большинства монокристаллов анизотропно. В кристаллах с кубической решеткой расширение происходит во всех направлениях равномерно, как, например у MgO. Однако среди керамических материалов есть такие, у которых анизотропия термического расширения выражена очень сильно. В частности, у широко распространенных корунда α-Al₂O₃ и муллита 3Al₂O₃*2SiO₂ также наблюдается анизотропия. Асимметрия строения кристаллической решетки приводит к тому, что коэффициент линейного расширения в одном из направлений может оказаться отрицательным, а объемное расширение кристаллической керамики будет очень мало. Такими материалами, например, являются алюмосиликаты лития.

Термическая стойкость – это способность  керамического изделия выдерживать  без разрушения резкие смены температуры. Термическая стойкость характеризует  в определенной степени материал, но в большей степени изделие  из данного материала, так как  на результаты испытаний оказывает  значительное влияние форма и  размер изделия. Условия эксплуатации керамических изделий настолько  разнообразны, что предложить единый критерий термической стойкости  не представляется возможным.

Разрушение  керамических изделий под влиянием температурных перемен происходит вследствие возникновения напряжений в материале этого изделия. Главные  причины возникновения этих напряжений: различия температуры в разных частях нагреваемого или охлаждаемого изделия, разные коэффициенты линейного расширения составляющих многофазной керамики, ограничение возможности расширения. Изделия разрушаются при возникновении напряжений, превышающих пределы допустимой прочности материала.

Термическая стойкость может быть характеризована  некоторым коэффициентом:

 

где λ – теплопроводность;σ –  предел прочности при разрыве; c – удельная теплоемкость; γ – плотность; σ – коэффициент линейного расширения; E – модуль упругости.

Термическая стойкость в настоящее время  оценивается по различным методикам, в основе которых лежат следующие  критерии:

1. число теплосмен, при котором изделие разрушается полностью или частично при нагревании до определенной температуры с некоторой скорость нагрева и при последующим медленном или резком охлаждении в воздухе или в другой среде.
2. потеря механической прочности специально подготовленного образца после ряда последовательных нагревов и охлаждений до различных температур с различной скоростью, в различной среде. Термическая прочность выражается как потеря механической прочности в процентах по отношению к первоначальной.
3. предельный температурный перепад, при котором изделие разрушается или теряет свои технические свойства.