Автор работы: Пользователь скрыл имя, 26 Февраля 2012 в 21:00, реферат
Классификация керамики. Изделия из технической керамики. Свойства керамики. Виды технической керамики. Применение керамики в промышленности. Производство.
Керамика на основе силикатов и алюмосиликатов
Силикаты и алюмосиликаты составляют основу очень большого количества технических керамических материалов. Большинство этих керамических материалов в качестве преобладающей фазы содержит двойные или тройные кристаллические вещества – силикаты или алюмосиликаты, образующиеся в системе МgО-А12О3-SiO2. Таких соединений в этой системе четыре:
1. ЗА12О3ּ2SiO2 – муллит,
2. МgОּSiO2 – клиноэнстатит,
3. 2МgОּSiO2 – форстерит,
4. МgОּ2А12О3ּ5SiO2 – кордиерит.
В соответствии с названием минералов называют и керамику – муллитовая, муллито-корундовая, клиноэнстатитовая (стеатитовая), форстеритовая и кордиеритовая.
Основной кристаллической фазой муллитовой и муллитокорундовой керамики являются муллит ЗА12О3ּ2SiO2 и корунд α-А12О3. Эти керамические материалы называют высокоглиноземистой керамикой. Добавочное количество оксида алюминия вводят обычно с глиноземом или электрокорундом. Таким образом, высокоглиноземистая керамика включает составы с содержанием А12О3 от 45 до 100%.
Клиноэнстатитовая керамика имеет в своей основе метасиликат магния MgOּSiO2 – клиноэнстатит. Сырьем для производства клиноэнстатитовой керамики является минерал тальк, представляющий собой водный силикат магния. Плотные разновидности талька называют стеатитом. Поэтому клиноэнстатитовая керамика часто называется стеатитовой или просто стеатитом.
Форстеритовая керамика. Форстеритовой называется керамика на основе ортосиликата магния 2МgОּSiO2 – форстеритa. Форстеритовая керамика вследствие отсутствия полиморфных превращений не подвержена старению, что является ее большим достоинством.
Кордиеритовая керамика. В системе МgО-Al2O3-SiO2 имеется одно тройное соединение, имеющее формулу 2МgОּ2А12О3ּ5SiO2, – кордиерит. Керамика на основе этого соединения называется кордиеритовой. Теоретический состав кордиерита в %: МgО-13,7; А12О3-34,9; SiO2- 51,4.
Цельзиановая керамика. Керамику на основе алюмосиликата бария, имеющего формулу ВаОּАl2O3ּ2SiO2 – цельзиана, называют цельзиановой.
Литиевая керамика. Керамика на основе алюмосиликатов лития называется литиевой керамикой. Изделия из литиевой керамики изготавливают из литиевых минералов, среди которых преимущественное значение имеет сподумен, а также путем синтеза из глины, кварца и углекислого лития.
Волластонитовая керамика. Волластонитовую керамику получают из природного минерала волластонита, который отвечает формуле СаОּSiO2 (СаО-48,2%, SiO2-51,8%) и представляет собой метасиликат кальция.
Оксидная техническая керамика
Оксид алюминия – глинозем – является тугоплавким химическим соединением с ионно-ковалентным типом связи кристаллической решетки. Он имеет несколько кристаллических модификаций. Установлены α-, β- и γ-модификации глинозема, причем α- и γ-Аl2O3 представляют собой чистый оксид алюминия, а β- модификация – соединение оксида алюминия со щелочными и щелочноземельными оксидами.
Особенностью диоксида циркония является его полиморфизм. Чистый ZrO2 при комнатной температуре находится в моноклинной фазе и при нагреве испытывает фазовые превращения (рис.4).
Переход t-ZrO2↔c-ZrO2 имеет диффузионную природу и играет очень важную роль при производстве так называемого частично стабилизированного диоксида циркония. Превращение m-ZrO2↔t-ZrO2 протекает по мартенситному механизму и сопровождается объемными изменениями 5–9%. Такое значительное расширение материала при охлаждении, сопровождающееся растрескиванием, не позволяет получать компактные изделия из чистого ZrO2. По этой причине практическое значение имеют только твердые растворы различных оксидов на основе ZrO2 либо механические смеси с жесткой матрицей, способной стабилизировать высокотемпературные фазы ZrO2 при низкой температуре.
Керамика на основе MgO. Оксид магния существует только в одной модификации, называемой периклазом. с кристаллической решеткой типа каменной соли. МgО является основным оксидом, при взаимодействии с водой и с водяными парами образует гидроксид Мg(ОН)2. МgО устойчив к воздействию щелочей и разрушается под действием кислот.
MgO получают путем переработки магнийсодержащих минералов, главным образом магнезита. Одним из источников получения чистого оксида магния является морская вода. Чистый MgO может быть непосредственно получен термическим разложением гидрокарбоната магния и гидроксида магния при температурах 600–800°С, а также окислением металлического магния в парообразном состоянии в токе кислорода при температуре до 1200°С. Наиболее активные и мелкодисперсные (не более 0,5мкм) порошки оксида магния получают при разложении Мg(ОН)2.
Растворимость МgО в воде и в самых слабых кислотах исключает применение некоторых методов керамической технологии. Так, гидратация МgО ограничивает возможность тонкого помола порошков в воде. Растворимость МgО в кислотах исключает литье водных суспензий из кислых сред.
Керамика на основе CaO. Оксид кальция является одним из самых распространенных в природе высокоогнеупорных окислов. Это единственное соединение кальция с кислородом. Оксид кальция имеет кристаллическую решетку кубической системы типа каменной соли, плотность 3,35г/см3, твердость по Моосу 4,5. Его температура плавления составляет 2570°С. CaO обладает резковыраженными основными свойствами, высокой термодинамической устойчивостью, хорошей устойчивостью против многих расплавленных металлов. Керамика на основе CaO используется в технике ограниченно вследствие повышенной гидратации CaO и испарения материала при высоких температурах (1800°С и выше).
Керамика на основе BeO. Оксид бериллия – единственное кислородное соединение бериллия. По своей химической природе BeO является слабоосновным оксидом, стойким к воздействию щелочей и щелочных расплавов. По отношению к кислым средам и расплавам ВеО неустойчив. Оксид бериллия кристаллизуется в гексагональной системе и имеет структуру типа вюрцита. Температура плавления чистого оксида бериллия 2570°С.
Керамика на основе ThO2. ТhO2 – единственное кислородное соединение тория, не имеющее модификационных форм. Он кристаллизуется в кубической системе типа флюорита. Диоксид тория ТhО2 имеет наиболее высокую среди оксидов температуру плавления – 3050°С.
Керамика на основе UO2. Диоксид урана имеет температуру плавления 2872°С. Другие оксиды урана разлагаются при сравнительно низких температурах. Плотность UO2 составляет 10,97г/см3. UO2 обладает гранецентрированной кубической решеткой типа флюорита. UO2 имеет основные свойства. Он нерастворим в соляной кислоте, хорошо растворяется в азотной кислоте, царской водке и смеси азотной и плавиковой кислот. С КаОН не реагирует, но реагирует с перекисью натрия, с Аl2О3, МgО, ВеО, не взаимодействует до температуры 1800°С. Диоксид урана устойчив вплоть до температуры плавления только в чистом водороде или вакууме. Поэтому использовать керамику из UO2 можно только в восстановительной или нейтральной среде. По этой же причине изделия из UO2 спекают в среде инертного газа или в вакууме.
Керамика на основе TiO2. Диоксид титана обладает повышенным значением диэлектрической проницаемости и является основным материалом для изготовления так называемой конденсаторной керамики. TiO2 существует в трех модификационных формах: анатаз, брукит и рутил. Устойчивой является высокотемпературная форма – рутил, который имеет тетрагональную кристаллическую решетку.
Промышленность изготавливает два вида конденсаторов:
Керамика на основе титанатов,
цирконатов и других
Шпинелями называются соединения, кристаллизующиеся в кубической системе и имеющие формулу Ме2+Ме23+О4 .Число шпинелей очень велико. Свойства и области применения шпинелей весьма разнообразны. Особую группу составляют шпинели с общей формулой Ме2+Fe33+О4, называемые феррошпинелями.
Чистые шпинели в природе встречаются крайне редко, обычно они содержат различные примеси. В технике шпинели синтезируют путем спекания тонкодисперсной смеси оксидов. Они также могут быть синтезированы при электроплавке смеси соответствующих оксидов. При синтезе шпинелей, содержащих оксиды переменной валентности, важно соблюдать соответствующую газовую среду, предохраняющую эти оксиды от окисления или восстановления.
Безоксидная техническая керамика
Безоксидными керамиками называются поликристаллические материалы на основе соединений неметаллов III–VI групп периодической системы элементов, исключая кислород, друг с другом и так называемыми переходными металлами, обладающими недостроенными электронными слоями.
По своей кристаллической структуре безоксидные керамики весьма разнообразны и образуют два основных класса:
1. Металлокерамика.
Данный класс образуют
2. Неметаллическая керамика.
Этот класс объединяет
Металлокерамика включает соединения, имеющие структуру фаз внедрения: карбиды и нитриды Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W.
Условие образования фазы внедрения определяется правилом Хэгга:
rX:rМе<0,59,
где rX – радиус атома неметалла, rМе – радиус атома металла.
Карбиды переходных металлов. Из всех карбидов переходных металлов наибольшее распространение в промышленности получили WC, TiC, TaC и ZrC. Интерес к этим материалам обусловлен их очень высокой твердостью (от 20 до 35ГПа), которую они сохраняют до температур свыше 1000°С.
Нитриды переходных металлов. Из всех нитридов переходных металлов наибольшее распространение в технике получили TiN и ZrN. Так же, как и карбиды, нитриды имеют очень высокие температуры плавления. Твердость нитридов несколько уступает твердости карбидов, например, ZrN имеет микротвердость около 25ГПа. Причина высокой твердости нитридов, так же, как и карбидов, обусловлена особенностями структуры фаз внедрения.