Композиционные материалы

План

 

Введение

 1 Силикатные материалы

 2 Окисная керамика

 3 Керамика из кварцевого стекла

 4 Высокоогнеупорная теплоизоляционная керамика

 5 Радио-, пьезо- и ферритокерамика

 6 Стеклокристаллические материалы

 7 Керамика из волокнистых материалов и армированная керамика

 8 Армирование керамики металлическим волокном

  Список используемой литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Композиционные материалы —  это искусственные материалы, получаемые сочетанием компонентов с различными свойствами. Одним из компонентов  является матрица (основа), другим - упрочнители (волокна, частицы). В качестве матриц используют полимерные, металлические, керамические и углеродные материалы. Упрочнителями служат волокна - стеклянные, борные, углеродные, органические, нитевидные кристаллы (карбидов, берилов, нитридов и др.) и металлические проволоки, обладающие высокой прочностью и  жесткостью. При составлении композиции эффективно используются индивидуальные свойства составляющих композиций. Свойства композиционных материалов зависят  от состава компонентов, количественного  соотношения и прочности связи  между ними. Комбинируя объемное содержание компонентов, можно, в зависимости  от назначения, получать материалы  с требуемыми значениями прочности, жаропрочности, модуля упругости или  получать композиции с необходимыми специальными свойствами, например магнитными и т. п.

 Содержание упрочнителя в  композиционных материалах составляет 20-80% по объему. Свойства матрицы определяют прочность композиционного материала при сжатии и сдвиге. Свойства упрочнителя определяют прочность.

 Композиционные материалы имеют  высокую прочность, жесткость,  жаропрочность и термическую  стабильность. Композиционные материалы  являются весьма перспективными  конструкционными материалами для  многих отраслей машиностроения.

 

 

 

 

 

1 Силикатные материалы

 

 Силикатные материалы характеризуются  сравнительно небольшой стоимостью, они могут быть получены из  широко распространенных сырьевых  материалов, отличаются высокой  огнеупорностью и химической  стойкостью. Основным их недостатком  является хрупкость и в связи  с этим невысокая прочность  на растяжение.

 Эти материалы обладают рядом  ценнейших свойств, некоторые  из них имеют температуру плавления  выше 2000—3000° С. Их теплопроводность  в 10—15 раз ниже теплопроводности  металлов.

 Области применения новых  видов керамики — атомная техника,  термопреобразователи, ракетно-космическая  техника, режущие инструменты,  радиоэлектроника, радиотехника, телевизионная  аппаратура, электронно-счетные машины  и др.

 Развитие производства технической  керамики привело к созданию  новых процессов керамической  технологии, таких, как литье из  парафинированных масс, горячее  прессование, гидростатическое формование. В последнее время изучаются  такие методы, как формование  с помощью импульсов высоких  энергий (методом взрыва), напылением  и т. п.

 Отличительными особенностями  технической керамики по сравнению  с обычной является то, что  процесс спекания при производстве  изделий зачастую происходит  в специальных газовых средах, а также и то, что она имеет  во многих случаях бессиликатный  химический состав. Иногда примеси  SiO2 являются причиной значительного  изменения свойств керамических  материалов, например ферритов.

 Некоторые изделия технической  керамики в связи с применением  их в ответственных конструкциях  подвергаются механической обработке,  например шлифованию, при этом  точность обработки достигает  второго и третьего класса.

 

 В последнее время находят  распространение стекло-кристаллические  материалы, получаемые путем термической  обработки различных составов  стекол. Цель процесса — превратить  стекло из аморфного состояния  в кристаллическое. Свойства стеклокристаллических  материалов определяются их составом  и структурой. Как правило, этот  класс материалов обладает наиболее  высокими по сравнению со стеклом  механическими, термическими и  физико-химическими свойствами.

 Большой интерес для новой  техники представляют стеклянные  и керамические волокна, обладающие  высокой термостойкостью, низкой  теплопроводностью и хорошей  химической стойкостью. Исследованиями, проведенными в США, установлено,  что керамическое волокно на  основе чистого кварцевого стекла  является превосходным материалом  для покрытия космических аппаратов.

 В последнее время наметилась  тенденция к созданию комбинированных  материалов, обладающих основными  свойствами их составных частей. С этой точки зрения значительный  интерес представляют керметы.

 Примером «союза» керамики  с металлом является также  армирование керамических деталей  металлической арматурой, что  значительно повышает термостойкость  и уменьшает хрупкость керамики.

 Разработаны методы соединения  керамики с металлом с помощью  пайки и сварки, что позволяет  соединять в некоторых конструкциях  совершенно разнородные материалы.  Немаловажную роль играют керамические  покрытия на металлах. Большой  интерес представляют ин­терметаллические  соединения и огнеупоры переменного  состава.

 Огнеупоры переменного по  толщине стенки состава изготавливаются  таким образом, что с одной  стороны они представляют собой  огнеупорный керамический материал, а с другой — тугоплавкий  металл. Состав такого материала  по толщине стенки непрерывно  изменяется от металла к керамике, что улучшает его тепловой  градиент и делает его стойким  к тепловым ударам. Сочетание высокой прочности и пластичности металлической части с жаропрочностью и окалиностойкостью керамического огнеупора переменного состава позволяет применять его в специальной технике высоких энергий.

 

2 Окисная керамика

 

 Для новой техники большое  значение приобрели материалы  из чистых высокоогнеупорных  материалов — окислов алюминия, бериллия, магния, кальция, циркония, церия, ниобия, иттрия, тория, урана  и др.

 В современной высокотемпературной  технике широко используется  корундовая керамика (А₁₂О₃). Она сочетает в себе ценные физико-химические и механические свойства. По твердости корунд занимает второе место после алмаза. Он обладает высокой теплопроводностью, хо­рошими диэлектрическими свойствами при высоких температурах, химической устойчивостью ко многим расплавленным металлам, газам и реагентам (включая плавиковую кислоту). Корунд можно кратковременно использовать в окислительной и восстановительной среде при температуре до 1900° С. Корунд отличается малым сечением захвата тепловых нейтронов, и его применяют в атомной энергетике в качестве конструкционного материала и носителя окиси урана в тепловыделяющих элементах. Окись алюминия используется для изготовления радиолокационных антенн, металлизированных цилиндров для футеровки камер сгорания и защитных покрытий на металлах. Широко используют А₁₂0₃ при изготовлении электроизоляторов, свечей зажигания в двигателях внутреннего сгорания и в электронных лампах, действующих в условиях высоких температур.

 Корунд высокой твердости  используют в качестве конструкционного  материала. Фильеры из окиси  алюминия применяют для протяжки  стальной проволоки, резцы из  А₁₂О₃ используют в качестве металлорежущего инструмента при больших скоростях. Прочность, износостойкость и режущие свойства инструментальной керамики на основе корунда улучшаются с увеличением дисперсности частиц и степени их однородности. Оптимальными для инструментальной керамики являются зерна корунда 1—2 мк, пористостью не выше 1%.

 Для получения плотной, мелкокристаллической  керамики на основе окиси алюминия  применяют различную технологию  производства: обжиг в вакууме,  горячее прессование, небольшие  добавки других соединений и  элементов для улучшения спекания  и увеличения плотности и структуры  материала.

 Замечательные свойства окиси  бериллия (ВеО) также обусловливают  ее широкое применение в новой  технике. Она имеет температуру  плавления 2530±30°С. Огнеупорная керамика на основе окиси бериллия устойчива на воздухе, в среде углекислого газа, аргона, азота, в вакууме до 1800° С. Химическая устойчивость ВеО превосходит химическую устойчивость большинства окислов металлов. Однако окись бериллия неустойчива в среде галогенов и сернистых газов.

 Изделия из ВеО отличаются  хорошими диэлектрическими свойствами. Окись бериллия обладает исключительно  высокой теплопроводностью (при  нормальной температуре в 7 раз  превышает теплопроводность плотных  изделий из Аl2Оз). По теплопроводности  ВеО занимает следующее место  после таких металлов, как золото, серебро и медь. Окись бериллия  обладает исключительно высокой  удельной теплоемкостью из всех  огнеупорных окислов.  Большой теоретический и практический интерес для новой техники приобрела двуокись циркония, температура плавления которой 2715° С. Двуокись циркония существует в двух модификациях. Полиморфное превращение моноклинной формы ZrO₂ в тетрагональную протекает с изменением объема. Объемные изменения достигают 7%. Поэтому нельзя получать изделия из чистой двуокиси циркония. Ее стабилизируют такими окислами, как CaO, MgO, переводя Zr0₂ в устойчивую кубическую модификацию.

 Двуокись циркония, стабилизированная  окисью кальция при высокой  температуре, является хорошим  проводником электричества при  повышенных температурах и неплохим  теплоизоляционным материалом. Двуокись  циркония при стабилизации окисью  иттрия обладает большей электропроводностью  (в пределах 750—1350°С), чем стабилизированная  окисью кальция.

 Двуокись циркония широко  используется при изготовлении  огнеупоров для тепловой изоляции  печей, аппаратов и реакторов,  работающих при высоких температурах, топливных элементов в системе  Zr0₂—U0₂, огнеупорных тиглей, в качестве покрытия на металлах. Сравнительно невысокая плотность Zr0₂ (5,8 г/см3) наряду с малой теплопроводностью позволяет использовать ее в качестве тепловой изоляции в ракетной технике. Чистая двуокись циркония обладает значительной адсорбционной способностью в отношении тепловых нейтронов и высоким поперечным сечением захвата.

Для ряда областей новой техники  представляет интерес двуокись урана (UO₂), имеющая температуру плавления 2760±30°С. По электрическим свойствам она является полупроводником. При работе с UO2 необходимо соблюдать определенные меры предосторожности вследствие ее радиоактивности. Изделия из UO₂ — это чаще всего тигли для плавки урана, тория и других металлов. Широко применяется двуокись урана в качестве тепловыделяющего элемента в реакторах различных типов.

В США разработан новый тип керамики — иттрийлокс. Иттрийлокс состоит  из 90% окиси иттрия и 10% двуокиси тория  и представляет собой однофазный поликристаллический материал с  размером зерен 10—50 мк. Он обладает прозрачностью  стекла, но выдерживает более высокие  температуры.

Многие свойства керамических материалов в большой степени зависят  не только от химического и фазового состава, но и от микроструктуры материала, которая определяется химическим составом исходного сырья и технологией изготовления материала.

 Важной проблемой является  разработка способов получения  поликристаллической керамики с  повышенной пластичностью. Можно  предположить, что если монокристаллы  окислов обладают пластичностью,  то она будет в известной  степени сохраняться и у поликристал­лической  керамики. Материал в этом случае  должен состоять из очень чистых  окислов, быть мелкозернистым, не включать другие фазы и не содержать пор. Получение керамики с повышенной пластичностью позволило бы решить очень важную техническую проблему высокотемпературных конструкционных материалов.

 

3 Керамика из кварцевого стекла

 

 Особый интерес для целого  ряда областей новой техники  представляют материалы, получаемые  на основе кварцевого стекла.

 Кварцевое стекло представляет  собой двуокись кремния в стеклообразном  состоянии. Его получают плавлением  при температурах выше 1700°С чистых  природных разновидностей кристаллического  кварца (горного хрусталя, жильного  кварца или чистых кварцевых  песков). В зависимости от исходного  сырья и технологии производства  получают прозрачное и непрозрачное  кварцевое стекло. Последнее является  более дешевым. Его непрозрачность  обусловлена наличием мелких  газовых пузырей (0,003—0,3 мм).

 Особенностью кварцевого стекла  являются его высокие прочностные  свойства, сравнительно мало уменьшающиеся  при высоких температурах.

 Кварцевое стекло обладает  рядом ценных свойств - термических,  оптических и других, но вследствие  большой вязкости практически  невозможно получать из него  крупные и сложные изделия.  В связи с этим для получения  сложных изделий из кварцевого  стекла в последнее время применяется керамическая технология. Чаще всего для формования изделий из кварцевого стекла используют шликерное литье в гипсовые формы и горячее литье под давлением.