Ксплуатация при высоких температурах.

Быстрое охлаждение опаснее быстрого нагрева (низкая теплопроводность).

Способность противостоять термическому удару:

ü анизотропия температурного коэффициента расширения (ТКР);

ü неоднородность состава.

• Физические и механический свойства.

Физические: ионная (ионно-ковалентная) химическая связь, многообразная кристаллическая структура.

Механические: недостаток пластичности, высокие твердость и жесткость, высокий предел прочности на сжатие.

• Керметы (твердые сплавы, цементированные карбиды…).

• Системы углерода, нитрида бора, нитрида кремния

Керамика на основе Si3N4 (силинит). Узлы трения в газотурбинных двигателях.

Получение порошка (энергоемкость, экология…),поэтому сегодня:

ü ударная волна,

ü низкотемпературная плазма,

ü гомогенные газофазные реакции,

ü самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС).

Принципы… (повторение)

Преимущества Si3N4: ковалентный тип связей, - диффузионно-вязкое течение и пластическая деформация затруднены… Как спекать?! Сделать ставку на химические реакции с участием газовой или жидкой фазы (газотранспортная реакция)!

1. Реакционное спекание (азотирование кремния, находящегося в спрессованной заготовке).

2. Активированное спекание (массоперенос между Si3N4 через газовую фазу).

3. Жидкофазное спекание (кислородсодержащие связки).

4. Горячее прессование (использование активирующих добавок).

5. Газофазное (пиролитическое) осаждение.

(1,3,2) – нельзя избавиться от пористости, (5) - только в тонких слоях.

Активирующие добавки: BeO, MgO, Al2O3, Y2O3, ZrO2.

ü Образование стекол и промежуточных фаз на границах зерен керамики.

ü Взаимное перемещение твердых частиц по слою жидкой фазы.

ü Растворение (α+β)Si3N4 и перекристаллизация в β' Si3N4 при температуре 1600…1800⁰С.

механизм

Si3N4 + MgO → при температуру 15450СMgO вступает во взаимодействие с SiO2 и Si2ON2 (шихта!). В итоге происходит образование кристаллических и аморфных фаз (стекол) по границам зерен – силикатные (сиалоновые) фазы.

Структура конечного материала определяется:

ü Фазовым составом и дисперсностью Si3N4.

ü Видом и содержанием активатора.

ü Временем и температурой горячего прессования.

• Керамика на основе углерода и нитрида бора.

Продолжение следует…

Пример применения в реакторостроении

• Глоссарий.

Керамические материалы – конгломерат беспорядочно расположенных кристаллитов (зерна керамики).

Повышение прочности, два пути решения - увеличить пластичность (легирование); устранить микротрещины (волокна).

Эксплуатационные свойства – недостаток пластичности, высокие твердость и жесткость, высокий предел прочности на сжатие.

Мораль НМ_10.

Для	материаловеда,
который	обращает внимание на керамику как современный материал,
оценка принципов технологии получения	предоставляет возможность достойно оценить историческую практику получения и использования этого материала ,
а также выработать	собственное мнение об эффективности сочетания неметаллических и металлических материалов.
В отличие от	«хрестоматийных» принципов прикладного металловедения,
керамические материалы	рассматриваются с учетом более широкого набора физико-химических методов их синтеза.

Таблица НМ_10.

Уместный вопрос	Возможный ответ
Какой тип материала называется «керамика»?
Какой компромисс достигается в материаловедении при помощи «керамической идеологии»?
Какой тип керамики называется «кермет»?
Какие технологические процессы составляют производство керамического материала?
Сравните пределы прочности керамики «на растяжение» и «на сжатие» и назовите причины такого несовпадения…
Какие свойства керамических материалов «облегчают» их эксплуатацию при высоких температурах?
Какие базовые материалы (конкретно!) относятся к ионной керамике, а какие к ковалентной?
Какие принципы структурообразования применяются при спекании ковалентной керамики?
Назовите «базовый состав» самой знаменитой инструментальной керамики…
Какие виды предварительной обработки порошков базовых материалов наиболее влияют на свойства готового керамического изделия?

Недостаток пластичности

Механизм пластического течения – движение дислокаций. В металлах: Дислокации легко перемещаются под действием низких напряжений (ненаправленная связь, широкие дислокации, «возвращающие» силы слабее!); В ковалентных керамиках: узкие дислокации, высокое сопротивление движению дислокаций.

Ширина дислокации (w)

Ширина дислокации - расстояние, на котором смещения атомов меняется от –b/4 до +b/4 , b - вектор Бюргерса. w =(1…2) межатомных расстояния, дислокация узкая, w > 5 - широкая. Ширина дислокации стремится увеличится – это «работает» энергия упругой деформации, стремится уменьшится – энергия несовпадений в ядре дислокации. Ширина дислокации зависит от соотношения G/K (G - модуль сдвига, K - модуль всестороннего сжатия, ν - коэффициент Пуассона). Для металлов ν ≈ 0.3, – G/K≈ 0.37, для керамики ν ≈ 0.1, – G/K ≈ 1. Предел текучести ≈ разрушающему напряжению.

Недостаток пластичности (мораль)

Скольжение происходит по плотно упакованным плоскостям – чем больше постоянная решетки, тем меньше энергия несовпадения и тем больше ширина дислокации.