Свойства инструментальной керамики с добавками ультрадисперсных оксидов - Дипломная работа

Керамики на основе Al2O3 целесообразно разрабатывать для изготовления ответственных износостойких деталей машин, подвергающихся интенсивному воздействию эрозионного, абразивного и ударного характера, в том числе в агрессивных средах при высоких температурах. Создание и использование прочной керамики оксида алюминия приведет к многократному улучшению эксплуатационных характеристик широкого спектра объектов техники, например, таких как сухие пары трения, струеформирующие сопла для гидроабразивной резки материалов, защитные покрытия для металлических деталей. Известно, что многократное повышение износостойкости керамик, в том числе на основе Al2O3, может быть реализовано на пути создания материала с тонкой однородной структурой, предельной плотностью, высокой твердостью и трещиностойкостью.Изолированные наночастицы обычно получают испарением металла, сплава или полупроводника при контролируемой температуре в атмосфере инертного газа низкого давления с последующей конденсацией пара вблизи холодной поверхности или на ней. В отличие от испарения в вакууме, атомы вещества, испаренного в разреженной инертной атмосфере, быстрее теряют кинетическую энергию изза столкновений с атомами газа и образуют кластеры. Установки, использующие принцип испарения-конденсации, различаются способом ввода испаряемого материала, способом подвода энергии для испарения, рабочей средой, организацией процесса конденсации, системой сбора полученного порошка. Испарение металла может происходить из тигля или же металл поступает в зону нагрева и испарения в виде проволоки, впрыскиваемого металлического порошка или в струе жидкости. Образование наночастиц происходит при охлаждении пара в зоне конденсации, которая тем больше, чем меньше давление газа; внутренняя граница зоны находится вблизи испарителя, а внешняя граница по мере уменьшения давления газа может выйти за пределы реакционного сосуда; при давлении, равном нескольким сотням паскалей, она находится внутри реакционной камеры диаметром до 0,1 м, и в процессе конденсации существенную роль играют конвективные потоки газа;В реальных условиях плазмохимического синтеза получение наночастиц целесообразно осуществлять за счет увеличения скорости охлаждения потока плазмы, в котором происходит конденсация из газовой фазы; благодаря этому уменьшается размер образующихся частиц, а также подавляется рост частиц путем их слияния при столкновении. При плазмохимическом синтезе используется низкотемпературная (4000-8000 К) азотная, аммиачная, углеводородная, аргоновая плазма дугового, тлеющего, высоко-или сверхвысокочастотного разрядов; в качестве исходного сырья применяют элементы, их галогениды и другие соединения.Обычный способ получения наночастиц с помощью коллоидных растворов заключается в их синтезе из исходных реагентов раствора и прерывании реакции в определенный момент времени, после чего дисперсная система переводится из жидкого коллоидного состояния в дисперсное твердое. Нанокристаллические оксиды титана, циркония, алюминия, иттрия можно получить гидролизом соответствующих хлоридов или гипохлоридов. Среди всех методов получения изолированных наночастиц и нанопорошков метод осаждения из коллоидных растворов обладает наиболее высокой селективностью и позволяет получать стабилизированные нанокластеры с очень узким распределением по размерам, что весьма важно для использования наночастиц в качестве катализаторов или в устройствах микроэлектроники.В настоящее время эта технология рассматривается как перспективный способ получения нанопорошков с размером частиц 20-300 нм. Наиболее изученным является термическое разложение азидов, оксалатов, перхлоратов, стифнатов, перманганатов, карбонатов, гидратов, цитратов, ацетатов, гидрооксидов, алкоголятов. К преимуществам этого метода относится низкая температура процесса, малые реакционные объемы, отсутствие трудоемких и малоэффективных операций промывки и фильтрования конечных продуктов, регулируемая дисперсность, хорошая спекаемость и высокая чистота получаемых порошков.Прессование в стальных пресс-формах - давно известный процесс порошковой технологии, достаточно подробно описанный в классической научной литературе. Согласно экспериментальным данным, при комнатной температуре для металлических наночастиц достижима относительная плотность >95%, тогда как, прессуя нанопорошки керамики, можно получить не более 75-90% теоретической плотности. Такие высокие значения относительной плотности были достигнуты при давлении около 1 ГПА, которое существенно превышает нормальное рабочее давление современных технологий получения материалов традиционной дисперсности. Например, компактирование нанопорошков Si3N4, TIN с размером частиц 70-80 нм показало, что исходной относительной плотности до 65% достигают посредством холодного прессования в стальной пресс-форме, а для ее повышения до 80% следует повысить давление до 7 ГПА. Высокие остаточные напряжения между частицами и в целом в образце стремятся релаксировать, вызывая деформации локального характера - разрушают

Оглавление

Введение

1. Литературный обзор

1.1 Получение нанопорошков

1.1.1 Газофазный синтез (конденсация паров)

1.1.2 Плазмохимический синтез

1.1.3 Осаждение из коллоидных растворов

1.1.4 Технология разложения нестабильных соединений

1.2. Прессование и спекание нанопорошков

1.2.1 Холодное прессование нанокристаллической керамики

1.2.2 Спекание материалов под высоким давлением

1.2.3 Горячее прессование и горячее изостатическое прессование

1.2.4 Электроразрядное спекание

1.3 Повышение физико-механических свойств корундовой керамики при введении диоксида циркония

2. Используемые материалы и методы исследований

2.1 Используемые материалы и их свойства

2.2 Методы исследований

3. Экспериментальная часть

Выводы

Список литературы

Оксид алюминия является одним из наиболее перспективных керамических материалов для широкого спектра конструкционных применений с экстремальными условиями эксплуатации благодаря сочетанию высокой твердости, термостойкости, химической инертности, с одной стороны, и доступности - с другой. Керамики на основе Al2O3 целесообразно разрабатывать для изготовления ответственных износостойких деталей машин, подвергающихся интенсивному воздействию эрозионного, абразивного и ударного характера, в том числе в агрессивных средах при высоких температурах. Однако распространенные керамики на основе Al2O3 с крупнокристаллической структурой характеризуются хрупкостью, низкой трещиностойкостью и высокой чувствительностью к эрозионному и абразивному воздействию, что значительно ограничивает их износостойкое применение. Создание и использование прочной керамики оксида алюминия приведет к многократному улучшению эксплуатационных характеристик широкого спектра объектов техники, например, таких как сухие пары трения, струеформирующие сопла для гидроабразивной резки материалов, защитные покрытия для металлических деталей. Известно, что многократное повышение износостойкости керамик, в том числе на основе Al2O3, может быть реализовано на пути создания материала с тонкой однородной структурой, предельной плотностью, высокой твердостью и трещиностойкостью. При заданном фазовом составе важно синтезировать керамику с субмикронным масштабом структуры при высокой однородности, минимальной пористости и с хорошо сформированными межкристаллитными границами. Подобные условия, как правило, обеспечивают высокую трещиностойкость и твердость керамики.

Исходя из этого, были сформулированы следующие цели: · получение керамики на основе промышленно выпускаемого глинозема с добавками ультрадисперсных оксидов методами холодного прессования и спекания в вакууме;

· получение керамики из ультрадисперсных порошков оксида алюминия и диоксида циркония, синтезированных методом терморазложения солей;

· исследование структуры и свойств полученных керамик.