Изучение свойств керамики на основе диоксида циркония, полученной методом Sandwich Plate System и способом ультразвукового компактирования с последующим спеканием - Дипломная работа

Циркониевая керамика также применяется в качестве микроволновых подложек в запоминающих устройствах и в виде плат для интегральных схем. Активное использование циркониевой керамики наблюдается в технологии получения деталей газотурбинных и дизельных двигателей, узлов трения, уплотнительных колец насосов, элементов запорной арматуры, форсунок распылительных камер, фильер для протяжки проволоки, режущего инструмента. Также керамика на основе ZRO2 находит применение в медицине для изготовления имплантатов в костные ткани.Такой широкий спектр применения объясняется исключительными свойствами, такими как высокая прочность, низкая теплопроводность, высокий коэффициент преломления, способность работать при высоких температурах и в агрессивных средах. Стоит также отметить особые электрические свойства циркониевой керамики, которые позволяют применять данный материал в качестве твердотельных топливных элементов (в качестве электролита), а также фильтров, датчиков, резонаторов и прочей продукции, используемой в производстве мобильных телефонов. Для синтеза керамики разработано множество различных технологий, таких как: холодное одноосное прессование с последующим спеканием, холодное и горячее изостатическое прессование [2], искровое плазменное спекание, однако каждый из методов имеет свои преимущества и недостатки, такие как невозможность массового производства, высокая цена, сложность эксплуатации и ремонта установок, недостаточно равномерное распределение плотности по объему изделия.Керамика - это поликристаллические материалы и изделия из них, состоящие из соединений неметаллов III-VI групп периодической системы с металлами или друг с другом и получаемые путем формования и обжига соответствующего исходного сырья. Исходным сырьем могут служить как вещества природного происхождения (силикаты, глины, кварц и др.), так и получаемые искусственно (чистые оксиды, карбиды, нитриды и др.) [5]. Технология получения керамики схожа с технологией порошковой металлургии: основной компонент материала не доводится до плавления. Кроме того, керамику классифицируют по химическому составу и по назначению. К такой керамике относятся изделия на основе карбидов, нитридов, боридов, силицидов, фосфидов, арсенидов и халькогенидов (кроме оксидов) переходных металлов и неметаллов III-VI групп периодической системы [5].Диоксид циркония для керамической промышленности получают из минералов: бадделеита, циркона, силиката циркония. Диоксид циркония широко используется, поскольку обладает исключительными механическими и функциональными свойствами: низкой теплопроводностью, способностью работать в агрессивных средах и при высоких температурах, высоким коэффициентом преломления, высокой прочностью, КЛТР близкий к сталям Чистый цирконий при атмосферном давлении может существовать в трех модификациях: моноклинной (начиная с комнатной температуры и до 1170 °С), тетрагональной (от 1170 °С и до 2370 °С) и кубической (от 2300 °С и до температуры плавления 2680 °С) [16]. Переход ?>? происходит в интервалах температур (950-1193), (1070-1250) ?С, а переход ?>? происходит в интервалах температур (1035-920), (850-700) ?С.Трение порошкового материала о стенки пресс-формы приводит к возникновению перепада плотности прессовок по высоте (изза преодоления сил пристенного трения), что может стать источником макродефектов в спекаемых изделиях. Достоинством метода горячего прессования являются хорошие прочностные характеристики получаемых изделий, минимальные допуски по размерам заготовок, сокращение времени спекания, поскольку процессы прессования и спекания совмещаются. Стоит отметить, что существуют данные об ухудшении эксплуатационных свойств изделий, а в работе говорится о значительном росте зерна циркониевой керамики, что отрицательно сказывается на свойствах изделий. Главное достоинство данного метода - возможность изготовлять из пластичных, малопластичных и непластичных порошкообразных материалов высокопрочные изделия, форма и размер которых не позволяют применить другие способы изготовления изделий. В настоящее время интенсивно развиваются электроимпульсные методы спекания порошков, такие как спекание в разряде плазмы или Spark Plasma Sintering (SPS), принцип которых заключается в совместном воздействии на порошковый материал кратковременным (10-3-10-5 сек) мощным электрическим разрядом между двумя электродами (энергия в разряде 1-100 КДЖ) и механическим давлением [11.Цель работы: Исследование возможности получения керамики на основе диоксида циркония современными перспективными методами: прессованием с мощным ультразвуковым воздействием с последующим спеканием и спекание в плазме искрового разряда; установление зависимостей свойств получаемых изделий от технологических режимов производства. Проведение экспериментов по прессованию с мощным ультразвуковым воздействием с последующим спеканием, получение керамических образцов.Для исследования использовали промышленные нанопорошки диоксида циркония (марки TZ-8YS и TZ-10YS) японской организации TOSOH, соде

Содержание

Введение

1. Методы изготовления, структура и свойства керамики

1.1 Керамические материалы: определение и классификации

1.2 Керамика на основе диоксида циркония

1.3 Методы синтеза керамики

2. Постановка задач, материалы и методики исследований

2.1 Постановка задач исследования

2.2 Материалы и оборудование

2.3 Метод холодного одноосного прессования с подведением ультразвука

2.4 Метод искрового плазменного спекания с применением коллекторной схемы прессования

3. Анализ и обсуждение результатов исследования

3.1 Метод холодного одноосного прессования с подведением ультразвука

3.2 Относительная плотность

3.3 Микротвердость и трещиностойкость

3.4 Метод искрового плазменного спекания с применением коллекторной схемы прессования

4. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение

4.1 SWOT-анализ метода ультразвукового компактирования изделий с последующим спеканием в вакуумной печи

4.2 Разработка графика проведения научно-исследовательского проекта

4.3 Разработка графика выполнения научного исследования

4.4 Составление сметы научного исследования

5. Социальная ответственность

5.1 Техногенная безопасность

5.2 Анализ вредных факторов производственной среды

5.3 Анализ опасных факторов производственной среды

5.4 Региональная безопасность

5.5 Защита атмосферы

5.6 Защита гидросферы

5.7 Защита литосферы

5.8 Организационные мероприятия обеспечения безопасности

5.9 Особенности законодательного регулирования проектных решений

5.10 Безопасность в чрезвычайных ситуациях

Выводы

Список использованной литературы

На сегодняшний день циркониевая керамика является одним из наиболее перспективных керамических материалов конструкционного и инструментального назначения за счет своих исключительных свойств. Такая керамика широко применяют в качестве излучательных трубок натриевых ламп высокого давления, оптических линз, твердотельных лазеров. Циркониевая керамика также применяется в качестве микроволновых подложек в запоминающих устройствах и в виде плат для интегральных схем.

Активное использование циркониевой керамики наблюдается в технологии получения деталей газотурбинных и дизельных двигателей, узлов трения, уплотнительных колец насосов, элементов запорной арматуры, форсунок распылительных камер, фильер для протяжки проволоки, режущего инструмента.

Также керамика на основе ZRO2 находит применение в медицине для изготовления имплантатов в костные ткани.Такой широкий спектр применения объясняется исключительными свойствами, такими как высокая прочность, низкая теплопроводность, высокий коэффициент преломления, способность работать при высоких температурах и в агрессивных средах.

Стоит также отметить особые электрические свойства циркониевой керамики, которые позволяют применять данный материал в качестве твердотельных топливных элементов (в качестве электролита), а также фильтров, датчиков, резонаторов и прочей продукции, используемой в производстве мобильных телефонов. Свойства циркониевой керамики также предопределили ее использование в бронекерамике, в качестве пластин в бронежилетах [4].

Для синтеза керамики разработано множество различных технологий, таких как: холодное одноосное прессование с последующим спеканием, холодное и горячее изостатическое прессование [2], искровое плазменное спекание, однако каждый из методов имеет свои преимущества и недостатки, такие как невозможность массового производства, высокая цена, сложность эксплуатации и ремонта установок, недостаточно равномерное распределение плотности по объему изделия.

В этой связи весьма актуальной является проблема разработки конкурентноспособных технологий изготовления керамических изделий. Для решения данных проблем в статьях [2, 10] предлагается использовать более дешевые методы, применяя при этом дополнительные добавки TIO2, а в публикациях используют разные температурные режимы, что позволяет достичь желаемых результатов. В учебниках большое внимание уделяется ультразвуковому воздействию (УЗВ), поскольку оно улучшает распределение плотности по объему изделия и технологические свойства керамики. Стоит выделить метод коллекторного прессования, который представляет из себя модификацию холодного одноосного прессования. Встречно движущиеся в процессе прессования ползуны позволяют увеличить уплотнение компакта и получить более равномерное распределение плотности по объему изделия [14].

Таким образом, поиск современного более выгодного технологического решения для синтеза керамики является одной из важных задач для инженеров, работающих в сфере получение керамических изделий. В связи с этим актуальным является исследование свойств керамик, полученных новыми методами, представляющими из себя модификацию уже ранее разработанных методик, а именно холодное одноосное прессование с подведением ультразвуковых колебаний и искровое плазменное спекание с применением коллекторной пресс-формы в процессе синтеза.

Цель работы: Исследование возможности получения керамики на основе диоксида циркония современными перспективными методами: прессованием с мощным ультразвуковым воздействием с последующим спеканием и спекание в плазме искрового разряда; установление зависимостей свойств получаемых изделий от технологических режимов производства.

Задачи работы: 1. Проведение экспериментов по прессованию с мощным ультразвуковым воздействием с последующим спеканием, получение керамических образцов.

2. Проведение экспериментов по спеканию порошковых материалов в плазме искрового разряда, получение керамических образцов.

3. Исследование влияния технологических параметров консолидации на свойства керамических образцов.

4. Оценка возможности использования коллекторной пресс-формы при спекании порошков в плазме искрового разряда.