Materialele ceramice primesc. Materiale ceramice și compozite

Ceramica ca solid policristalin constă în general din trei faze principale:

• cristalin, compus din boabe,
• vitros (amorf) - sub formă de straturi intermediare situate între boabe,
• gaz - sub formă de pori între boabe înconjurate de straturi intermediare ale fazei amorfe.

Porţelan
Faianţă
Produse din piatră fină
Majolică
Teracotă
Ceramică
Ceramica șamotă

Principala diferență dintre materialele ceramice constă în compoziția și raportul diferit dintre cele trei faze care determină proprietățile produselor ceramice. Structura, adică structura corpului ceramic depinde de compoziția materiilor prime și de tehnologia acestui material. După dispersia (mărimea) elementelor structurii materiale ceramice sunt ceramice fine și ceramice grosiere. Dacă ceramica constă din granule fine, fractura sa este uniformă și particulele sunt greu de distins, atunci un astfel de material aparține ceramicii fine (în primul rând porțelan, faianță, majolic etc.). Dacă în structura ceramicii se observă boabe mari, structura în sine este eterogenă, atunci avem un produs ceramic grosier (produse de șamotă, ceramică, teracotă). Ceramicăși teracota, realizată din argile de înaltă calitate, fără amestec de particule mari, pot fi, de asemenea, clasificate ca produse ceramice fine, ceea ce indică condiționalitatea unei astfel de diviziuni.

Principalele tipuri de materiale ceramice: portelan, faianta, produse din piatra fina, majolica, teracota, ceramica, ceramica din argila refractara.

Porțelan - un tip de ceramică culoare alba cu fractură concoidală densă, cea mai înaltă realizare a tehnologiei ceramice. Pentru fabricarea porțelanului, se folosesc argile refractare cu ardere albă și caolini, cuarț și feldspați (raportul dintre materiale plastice și materiale slabe este de 1: 1). Distingeți porțelanul moale și cel dur. semne distinctive portelanul sunt: ​​alb, transluciditate, rezistenta mecanica, duritate, rezistenta termica si chimica. Domeniu de aplicare: de la fabricarea de vase și produse tehnice până la crearea de opere de artă unice.

Faianta (de la numele orasului italian Faenza) este un tip de ceramica alba cu o fractura fin poroasa. Pentru fabricarea faiantei se folosesc argile refractare cu ardere albă, cuarț și diverși aditivi. Spre deosebire de porțelan, are un ciob poros opac; temperatura de ardere a deșeurilor depășește temperatura celui turnat. Distingeți faianța moale și tare. Domeniu de aplicare: producție de ustensile, produse tehnice, produse decorative, ceramică pentru construcții.

Produse din piatră fină - un tip de ceramică, caracterizată printr-un ciob sinterizat alb sau colorat, cu o fractură concoidală uniformă. Argilele refractare și refractare sunt utilizate pentru fabricarea produselor din piatră fină, compoziție chimică care fluctuează pe o gamă destul de largă.Se disting produsele din piatră fină de sinterizare la temperatură joasă şi la temperatură înaltă. În funcție de materiile prime utilizate, de gradul de sinterizare și de culoarea ciobului și de caracteristicile tehnologiei, produsele din piatră subțire au diferite denumiri: semi-portelan, porțelan la temperatură joasă, „bunuri de piatră”, etc. -produsele din piatră se caracterizează printr-o absorbție scăzută de apă (0,5 ... 5,0%). Domeniul lor de aplicare: producția de ustensile, ceramică decorativă și de interior.

Majolica (de la numele insulei Mallorca) este un tip de ceramică cu o ciob poroasă, colorată natural, de la culoare crem deschis la roșu (cărămidă), acoperită cu o glazură transparentă sau surdă (opac). Pentru fabricarea majolicei se folosesc argile fuzibile formă pură sau cu introducerea de aditivi slabi și flux. Adesea, produsele din majolica sunt acoperite cu un strat de argila alba, o angoba care se ascunde culoare naturală ciob. Temperatura scăzută de ardere a glazurii majolicei (960–1050°C) face posibilă utilizarea unei palete largi de glazuri și emailuri colorate pentru decorare. Domeniu de aplicare: producție de articole, o țiglă, ceramică decorativă.

Teracotă (terra (italiană) - pământ, cotta - ars) - un tip de ceramică, produse ceramice nesmălțuite cu un ciob poros. Pentru fabricarea teracotei se folosesc argile de înaltă calitate, cu contracție scăzută, care au o culoare uniformă și un punct de topire relativ ridicat. Uneori teracota este acoperită cu angobă. Domeniu de aplicare: realizarea de sculpturi, plăci, plăci etc.

Ceramica - produse ceramice cu o culoare naturala de argila ars, porozitate relativ mare, cu granulatie fina, de obicei neglazurata. Pentru fabricarea acestui tip de ceramică, argilele locale de ceramică cu punct de topire scăzut sunt utilizate fără utilizarea altor componente, cu excepția micilor adaosuri de nisip de cuarț. Uneori produsele sunt acoperite cu un strat de angobă sau glazură. Domeniu de aplicare: producție de articole, bijuterii, suveniruri.

Ceramica de argilă este un tip de produse ceramice grosiere care au o ciob poroasă, cu granulație grosieră, adesea de culoare deschisă. Șamota este lut măcinat ars. Pentru a lega boabele de argilă refractă în produsele din argilă refractară, se folosesc argile, frământându-le până se formează o masă de plastic. Masele de șamotă sunt folosite pentru a face sculpturi mici, vaze de podea, cărămizi și alte tipuri de ceramică arhitecturală.

Toate cele de mai sus materiale ceramice, indiferent cât de diferită se deosebesc în compoziția materiilor prime și, în consecință, în compoziția chimică finală și proprietățile produselor, acestea sunt unite printr-o tehnologie care determină succesiunea operațiilor.

principial sistem tehnologic obţinerea ceramicii

1. Achiziționarea de materii prime (argilă, argilă, nisip etc.)
2. Pregătirea materialului de turnare
3. Turnare
4. Uscare
5. Ardere

Trimiteți-vă munca bună în baza de cunoștințe este simplu. Utilizați formularul de mai jos

Studenții, studenții absolvenți, tinerii oameni de știință care folosesc baza de cunoștințe în studiile și munca lor vă vor fi foarte recunoscători.

postat pe http://www.allbest.ru/

Introducere

Concluzie

Introducere

Ceramica este al treilea cel mai utilizat material în industrie, după metale și polimeri. Este cea mai competitivă clasă de materiale în comparație cu metalele pentru utilizare temperaturi mari. Perspective mari deschid utilizarea motoarelor de transport cu piese din ceramică, materiale ceramice pentru tăiere și ceramică optică pentru transmiterea informațiilor. Acest lucru va reduce consumul de metale scumpe și rare: titan și tantal în condensatoare, wolfram și cobalt în sculele de tăiere, cobalt, crom și nichel în motoarele termice.

Principalii dezvoltatori și producători de materiale ceramice sunt SUA și Japonia.

Materialele ceramice utilizate în inginerie ca ceramică tehnică sau ceramică de înaltă calitate trebuie să îndeplinească cele mai înalte cerințe pentru proprietățile materialelor. Aceste proprietăți includ:

Rezistenta maxima la incovoiere;

Compatibilitate biologică;

Rezistenta la atacul chimic;

Densitatea și rigiditatea (modulul Young);

Rezistenta la compresiune;

proprietăți de izolare electrică;

rezistență dielectrică;

Duritate;

Rezistență la coroziune;

Adecvarea pentru uz alimentar;

Proprietăți piezoelectrice și caracteristici dinamice;

Rezistență la căldură;

Rezistent la șoc termic și fluctuații de temperatură;

Metalizare (tehnologie de lipire);

rezistenta la uzura;

Coeficientul de dilatare termică;

Izolație termică;

Conductivitate termică;

Aceste proprietăți diverse permit ca ceramica tehnică să fie utilizată într-o varietate de aplicații în industria auto, industria electronică, tehnologia medicală, energie și ecologie industrială, precum și în inginerie mecanică și fabricarea de echipamente.

1. Tehnologia ceramicii si clasificarea ceramicii

Tehnologia ceramicii prevede următoarele etape principale: obținerea pulberilor inițiale, consolidarea pulberilor, adică producția de materiale compacte, prelucrarea acestora și controlul produsului.

În producția de ceramică de înaltă calitate, cu uniformitate structurală ridicată, se folosesc pulberi de materii prime cu o dimensiune a particulelor de până la 1 μm. Măcinarea se efectuează mecanic folosind medii de măcinare, precum și prin pulverizarea materialului măcinat în stare lichidă, depunere pe suprafețe reci din faza vapori-gaz, efect de vibro-cavitație asupra particulelor din lichid, folosind autopropagarea la temperatură ridicată. sinteza si alte metode. Pentru măcinarea ultrafină (particule mai mici de 1 micron), morile vibrante sau atritoarele sunt cele mai promițătoare.

Consolidarea materialelor ceramice constă în procese de turnare și sinterizare. Există următoarele grupuri principale de metode de turnare:

1) Presare sub actiunea presiunii de compresiune, in care compactarea pulberii are loc datorita scaderii porozitatii;

2) Turnarea plasticului prin extrudarea tijelor și țevilor prin muștiuc (extrudarea) a maselor de turnare cu plastifianți care măresc fluiditatea acestora;

3) Turnare slip pentru fabricarea produselor cu pereți subțiri de orice formă complexă, în care se folosesc suspensii lichide de pulberi pentru turnare.

În trecerea de la presare la turnarea plastică și turnarea cu alunecare, posibilitățile de fabricare a produselor de formă complexă cresc, dar procesul de uscare a produselor și îndepărtarea plastifianților din materialul ceramic devine mai complicat. Prin urmare, pentru fabricarea de produse într-o formă relativ simplă, se preferă presare și mai complex - extrudare și turnare cu alunecare.

În timpul sinterizării, particulele individuale de pulbere se transformă într-un monolit și se formează proprietățile finale ale ceramicii. Procesul de sinterizare este însoțit de o scădere a porozității și contracție.

Tabelul 1 prezintă clasificarea principalelor tipuri de ceramică.

Se folosesc cuptoare de sinterizare la presiune atmosferică, instalații de presare izostatică la cald (prese gazostatice), prese de presare la cald cu o forță de presare de până la 1500 kN. Temperatura de sinterizare, în funcție de compoziție, poate fi de până la 2000 - 2200°C.

Adesea se folosesc metode combinate de consolidare, combinând turnarea cu sinterizarea și, în unele cazuri, sinteza compusului rezultat cu turnarea și sinterizarea simultană.

Prelucrarea și controlul ceramicii sunt principalele componente în balanța costului produselor ceramice. Potrivit unor rapoarte, costul materiilor prime și al consolidării este de doar 11% (pentru metale 43%), în timp ce prelucrarea reprezintă 38% (pentru metale 43%), iar controlul 51% (pentru metale 14%). Principalele metode de prelucrare a ceramicii includ tratamentul termic și tratamentul dimensional al suprafeței. Tratamentul termic al ceramicii se efectuează pentru a cristaliza faza de sticlă intergranulară. În același timp, duritatea și duritatea la rupere a materialului cresc cu 20-30%.

Majoritatea materialelor ceramice sunt greu de prelucrat. Prin urmare, principala condiție pentru tehnologia ceramică este obținerea de produse practic finite în timpul consolidării. Pentru finisarea suprafetelor produselor ceramice se folosesc prelucrari abrazive cu roti diamantate, prelucrari electrochimice, ultrasonice si laser. Utilizarea straturilor de protecție este eficientă, permițând vindecarea celor mai mici defecte ale suprafeței - denivelări, riscuri etc.

Pentru a controla piesele ceramice, cel mai des este utilizată detectarea defectelor cu raze X și cu ultrasunete.

Rezistența legăturilor interatomice chimice, datorită cărora materialele ceramice au duritate mare, rezistență chimică și termică, determină simultan capacitatea lor scăzută de deformare plastică și tendința de rupere fragilă. Majoritatea materialelor ceramice au duritate și ductilitate scăzute și, în consecință, tenacitate scăzută la rupere. Duritatea la rupere a ceramicii cristaline este de aproximativ 1 - 2 MPa/m 1/2, în timp ce pentru metale este mai mare de 40 MPa/m 1/2.

Există două abordări posibile pentru creșterea tenacității la rupere a materialelor ceramice. Una dintre ele este tradițională, asociată cu îmbunătățirea metodelor de măcinare și purificare a pulberilor, compactarea și sinterizarea acestora. A doua abordare este de a inhiba creșterea fisurilor sub sarcină. Există mai multe modalități de a rezolva această problemă. Una dintre ele se bazează pe faptul că în unele materiale ceramice, de exemplu, în dioxidul de zirconiu ZrO2, structura cristalină este rearanjată sub presiune. Structura tetragonală inițială a ZrO 2 se transformă într-una monoclinică cu un volum mai mare cu 3–5%. În expansiune, boabele de ZrO 2 comprimă fisura și își pierde capacitatea de a se propaga (Figura 1, a). În acest caz, rezistența la rupere fragilă crește la 15 MPa/m 1/2.

Figura 1 - Schema de întărire a ceramicii structurale cu incluziuni de ZrO 2 (a), fibre (b) și fisuri mici (c): 1 - ZrO 2 tetragonal; 2 - ZrO 2 monoclinic

ceramica tehnologie tehnica vascozitatii

A doua metodă (Figura 1, b) constă în crearea unui material compozit prin introducerea în ceramică a fibrelor dintr-un material ceramic mai puternic, cum ar fi carbura de siliciu SiC. O fisură în curs de dezvoltare întâlnește o fibră pe drum și nu se propagă mai departe. Rezistența la rupere a vitroceramică cu fibre de SiC crește la 18 - 20 MPa/m 1/2, apropiindu-se substanțial de valorile corespunzătoare pentru metale.

A treia cale este că, cu ajutorul unor tehnologii speciale, întregul material ceramic este pătruns de microfisuri (Figura 1, c). Când fisura principală întâlnește o microfisura, unghiul de la vârful fisurii crește, fisura devine tocită și nu se propagă mai departe.

Un interes deosebit este o metodă fizico-chimică pentru creșterea fiabilității ceramicii. A fost implementat pentru unul dintre cele mai promițătoare materiale ceramice pe bază de nitrură de siliciu Si 3 N 4 . Metoda se bazează pe formarea unei anumite compoziții stoechiometrice a soluțiilor solide de oxizi metalici în nitrură de siliciu, numite sialoni. Un exemplu de ceramică de înaltă rezistență formată în acest sistem sunt sialonii cu compoziția Si 3-x Al x N 4-x O x, unde x este numărul de atomi de siliciu și azot substituiți din nitrura de siliciu, variind de la 0 la 2,1. O proprietate importantă a ceramicii sialon este rezistența la oxidare la temperaturi ridicate, care este mult mai mare decât cea a nitrurii de siliciu.

2. Proprietăți și aplicații ale materialelor ceramice

Dezavantajele fundamentale ale ceramicii sunt fragilitatea și complexitatea prelucrării lor. Materialele ceramice funcționează slab în condiții de șoc mecanic sau termic, precum și în condiții de încărcare ciclică. Se caracterizează printr-o sensibilitate ridicată la tăieturi. În același timp, materialele ceramice au rezistență ridicată la căldură, rezistență excelentă la coroziune și conductivitate termică scăzută, ceea ce le permite să fie utilizate cu succes ca elemente de protecție termică.

La temperaturi de peste 1000°C, ceramica este mai puternică decât orice aliaj, inclusiv superaliaje, iar rezistența la fluaj și la căldură sunt mai mari.

Principalele domenii de aplicare a materialelor ceramice includ:

1) Instrument de tăiere din ceramică - caracterizat prin duritate mare, inclusiv atunci când este încălzit, rezistență la uzură, inerție chimică față de majoritatea metalelor în timpul procesului de tăiere. Conform complexului acestor proprietăți, ceramica depășește semnificativ materialele tradiționale de tăiere - oțeluri de mare viteză și aliaje dure (Tabelul 2).

Proprietățile ridicate ale ceramicii de tăiere au făcut posibilă creșterea semnificativă a vitezei de prelucrare a oțelului și a fontei (Tabelul 3).

Pentru fabricarea sculelor de tăiere, ceramică pe bază de oxid de aluminiu cu aditivi de dioxid de zirconiu, carburi și nitruri de titan, precum și pe bază de compuși fără oxigen - nitrură de bor cubică (-BN), numită în mod obișnuit nitrură de bor cubică și nitrura de siliciu Si 3 N sunt utilizate pe scară largă. Elemente de tăiere pe bază de nitrură de bor cubică, în funcție de tehnologia de producție, produse sub denumiri elbor, borazon, compozitul 09 etc., au o duritate apropiată de duritatea unei scule diamantate și rămân rezistente la încălzirea în aer până la 1300 - 1400°C. Spre deosebire de uneltele cu diamant, nitrura de bor cubică este inertă din punct de vedere chimic față de aliajele pe bază de fier. Poate fi folosit pentru strunjirea brută și de finisare a oțelurilor călite și a fontelor de aproape orice duritate.

Compoziția și proprietățile principalelor clase de ceramică de tăiat sunt prezentate în Tabelul 4.

Plăcuțele de tăiere din ceramică sunt utilizate pentru echiparea diverselor freze, scule de strunjire, capete de alezat, scule speciale.

2) Motoare ceramice - din a doua lege a termodinamicii rezultă că pentru a crește eficiența oricărui proces termodinamic este necesară creșterea temperaturii la intrarea în convertizorul de energie: randament = 1 - T 2 /T 1, unde T1 și T2 sunt dispozitivul de conversie a energiei la temperaturile de intrare și respectiv de ieșire. Cu cât temperatura T 1 este mai mare, cu atât eficiența este mai mare. Cu toate acestea, maximul temperaturi admisibile determinată de rezistența la căldură a materialului. Ceramica structurală permite utilizarea unor temperaturi mai ridicate în comparație cu metalul și, prin urmare, este un material promițător pentru motoarele cu ardere internă și motoare cu turbine cu gaz. Pe lângă o eficiență mai mare a motoarelor datorită creșterii temperaturii de funcționare, avantajul ceramicii este densitatea scăzută și conductibilitatea termică, rezistența termică și la uzură crescută. În plus, la utilizarea acestuia, costul sistemului de răcire este redus sau eliminat.

În același timp, trebuie remarcat faptul că în tehnologia de fabricație a motoarelor ceramice rămân o serie de probleme nerezolvate. Acestea includ în primul rând problemele de asigurare a fiabilității, rezistenței la șocuri termice și dezvoltarea unor metode de îmbinare a pieselor ceramice cu cele din metal și plastic. Cea mai eficientă utilizare a ceramicii pentru fabricarea motoarelor diesel cu piston adiabatic cu izolație ceramică și a motoarelor cu turbină cu gaz la temperatură înaltă.

Materialele structurale ale motoarelor adiabatice trebuie să fie stabile în intervalul de temperatură de funcționare de 1300 - 1500 K, să aibă o rezistență la încovoiere de cel puțin 800 MPa și un factor de intensitate a tensiunii de cel puțin 8 MPa * m 1/2. Ceramica pe bază de dioxid de zirconiu ZrO 2 și nitrură de siliciu satisface aceste cerințe în cea mai mare măsură. Cea mai extinsă lucrare la motoarele ceramice se desfășoară în Japonia și SUA. Compania japoneză Isuzu Motors Ltd a stăpânit fabricarea unei precamere și a unui mecanism de supapă a unui motor adiabatic, Nissan Motors Ltd - rotoare de turbocompresor, Mazda Motors Ltd - o precamera și un știft de împingere.

Cammin Engine Company (SUA) a stăpânit Opțiune alternativă motor de camion cu acoperiri cu plasmă ZrO 2 aplicate pe coroana pistonului, alezajul cilindrului, orificiile de admisie și evacuare. Economia de combustibil la 100 km de cale a fost de peste 30%.

Isuzu (Japonia) a anunțat dezvoltarea cu succes a unui motor ceramic care funcționează pe benzină și combustibil diesel. Motorul dezvoltă viteze de până la 150 km/h, eficiența arderii combustibilului este cu 30 - 50% mai mare decât cea a motoarelor convenționale, iar greutatea este cu 30% mai mică.

Ceramica structurală pentru motoarele cu turbină cu gaz, spre deosebire de un motor adiabatic, nu necesită conductivitate termică scăzută. Având în vedere că piesele ceramice ale motoarelor cu turbină cu gaz funcționează la temperaturi mai ridicate, acestea trebuie să mențină rezistența la nivelul de 600 MPa la temperaturi de până la 1470–1670 K (în viitor, până la 1770–1920 K) cu deformare plastică de cel mult 1% pentru 500 de ore de funcționare. Nitrururile și carburile de siliciu cu rezistență ridicată la căldură sunt utilizate ca material pentru astfel de părți critice ale motoarelor cu turbină cu gaz, cum ar fi o cameră de ardere, părți de supapă, un rotor de turbocompresor, un stator.

A ridica caracteristici de performanta motoarele de aeronave este imposibil fără utilizarea materialelor ceramice.

3) Ceramica motiv special- ceramica pentru scopuri speciale include ceramica supraconductoare, ceramica pentru fabricarea recipientelor cu deseuri radioactive, protectie blindata echipament militarși protecția termică a focoaselor de rachete și nave spațiale.

4) Containere pentru depozitarea deșeurilor radioactive - unul dintre factorii limitativi în dezvoltarea energiei nucleare este complexitatea eliminării deșeurilor radioactive. Pentru fabricarea recipientelor se folosesc ceramica pe baza de oxid B 2 O 3 si carbura de bor B4C amestecata cu oxid de plumb PbO sau compusi de tip 2PbO * PbSO 4. După sinterizare, astfel de amestecuri formează ceramică densă cu porozitate scăzută. Se caracterizează printr-o capacitate puternică de absorbție în ceea ce privește particulele nucleare - neutroni și -quanta.

5) Ceramica cu armuri de mare impact - Prin natura lor, materialele ceramice sunt casante. Cu toate acestea, la o rată de încărcare mare, de exemplu, în cazul unui impact exploziv, când această rată depășește rata de mișcare a dislocațiilor în metal, proprietățile plastice ale metalelor nu vor juca niciun rol și metalul va fi la fel de casant ca ceramica. În acest caz particular, ceramica este substanțial mai puternică decât metalul.

Proprietățile importante ale materialelor ceramice, care au condus la utilizarea lor ca armură, sunt duritatea ridicată, modulul elastic, temperatura de topire (descompunere) la o densitate de 2-3 ori mai mică. Păstrarea rezistenței atunci când este încălzită permite utilizarea ceramicii pentru protecție împotriva proiectilelor care străpung armura.

Ca criteriu pentru adecvarea unui material pentru protecția blindajului M, se poate utiliza următorul raport:

unde E este modulul de elasticitate, GPa; H la - duritatea Knoop, GPa; - rezistenta la tractiune, MPa; T pl - punctul de topire, K; - densitate, g/cm3.

Tabelul 5 prezintă principalele proprietăți ale materialelor ceramice pentru blindaje utilizate pe scară largă în comparație cu proprietățile oțelului pentru blindaj.

Materialele pe bază de carbură de bor au cele mai înalte proprietăți de protecție. Al lor aplicare în masă constrâns de costul ridicat al metodei de presare. Prin urmare, plăcile de carbură de bor sunt utilizate atunci când este necesar să se reducă în mod semnificativ masa de protecție a blindajului, de exemplu, pentru a proteja scaunele și sistemele de control automat ale elicopterelor, echipajului și trupelor. Ceramica cu diborură de titan, care are cea mai mare duritate și modul de elasticitate, sunt folosite pentru a proteja împotriva carcaselor tancurilor grele care străpung armura și străpunge armura.

Pentru producția de masă de ceramică, oxidul de aluminiu relativ ieftin este cel mai promițător. Ceramica bazată pe aceasta este folosită pentru a proteja forța de muncă, echipamentele militare terestre și maritime.

Potrivit Morgan M. Ltd (SUA), o placă de carbură de bor cu grosimea de 6,5 mm sau o placă de oxid de aluminiu cu grosimea de 8 mm oprește un glonț de 7,62 mm care zboară cu o viteză de peste 800 m/s când este tras la distanță apropiată. Pentru a obține același efect, armura din oțel trebuie să aibă o grosime de 10 mm, în timp ce masa sa va fi de 4 ori mai mare decât cea a ceramicii. Cea mai eficientă utilizare a armurii compozite, constând din mai multe straturi eterogene. Stratul ceramic exterior percepe șocul principal și sarcina termică, este zdrobit în particule mici și disipează energia cinetică a proiectilului. Energia cinetică reziduală a proiectilului este absorbită de deformarea elastică a substratului, care poate fi oțel, duraluminiu sau țesătură Kevlar în mai multe straturi. Este eficient să acoperiți ceramica cu un material inert fuzibil, care joacă rolul unui fel de lubrifiant și schimbă oarecum direcția proiectilului, care oferă un ricoșeu.

Designul armurii ceramice este prezentat în Figura 2.

Figura 2 - Proiectarea panoului de blindaj ceramic: a, b - elementele constitutive ale panoului de blindaj pentru protecția împotriva gloanțelor care străpung armura calibru diferit; c - un fragment dintr-un panou blindat asamblat din elementele a și b; 1 - glonț perforator de calibrul 12,7 mm; 2 - calibru glonț 7,62 mm; 3 - strat de protecție parțial îndepărtat

Panoul blindat este format din plăci ceramice separate, conectate în serie, care măsoară 50 * 50 sau 100 * 100 mm. Pentru a proteja împotriva gloanțelor perforatoare cu un calibru de 12,6 mm, se folosesc plăci de Al 2 O 3 cu o grosime de 15 mm și 35 de straturi de Kevlar și împotriva gloanțelor cu un calibru de 7,62 mm - plăci de Al 2 O 3 cu o grosime de 6 mm și 12 straturi de Kevlar.

În timpul Războiului din Golf, utilizarea pe scară largă a armurii ceramice din Al 2 O 3 , SiC și B 4 C de către armata SUA și-a demonstrat eficiența ridicată. Pentru protecția armurii, este promițătoare și utilizarea materialelor pe bază de AlN, TiB 2 și rășini poliamidice armate cu fibre ceramice.

6) Ceramica în rachete și inginerie spațială - atunci când zboară în straturi dense ale atmosferei, părțile capului de rachete, nave spațiale, vehicule reutilizabile, încălzite la o temperatură ridicată, au nevoie de protecție termică fiabilă.

Materialele de protecție termică trebuie să aibă rezistență și rezistență ridicată la căldură, combinate cu valori minime ale coeficientului de dilatare termică, conductivitate termică și densitate.

Centrul de Cercetare NASA (Centrul de Cercetare NASA Ames) a dezvoltat compoziții de plăci ceramice fibroase cu ecranare termică destinate navelor spațiale reutilizabile. Proprietățile plăcilor unui număr de compoziții sunt prezentate în tabelul 6. Diametrul mediu al fibrelor este de 3 - 11 microni.

Pentru a crește rezistența, reflectivitatea și caracteristicile ablative ale suprafeței exterioare a materialelor de protecție termică, acestea sunt acoperite cu un strat de email de aproximativ 300 µm grosime. Emailul care conține SiC sau 94% SiO 2 și 6% B 2 O 3 este aplicat sub formă de alunecare pe suprafață și apoi sinterizat la 1470 K. Plăcile acoperite sunt utilizate în cele mai încălzite locuri ale navelor spațiale, rachete balisticeși avioane hipersonice. Ele rezistă până la 500 de încălziri de zece minute într-o plasmă cu arc electric la o temperatură de 1670 K. Variante ale sistemului de protecție termică ceramică pentru suprafețele frontale ale aeronavelor sunt prezentate în Figura 3.

Figura 14.3 - Sistemul de protecție termică ceramică a suprafețelor frontale ale aeronavelor pentru temperaturi de la 1250 la 1700 ° C: 1 - ceramică pe bază de SiC sau Si 3 N 4; 2 - izolatie termica; 3 - ceramică sinterizată

Stratul termoizolant fibros foarte poros pe bază de FRCI, AETB sau HTR este protejat de un strat de căptușeală din carbură de siliciu. Stratul de placare protejează stratul termoizolant de distrugerea ablativă și erozivă și percepe sarcina termică principală.

Concluzie

Ceramica industrială a fost folosită de multe decenii în inginerie mecanică, metalurgie, industria chimică, prelucrarea lemnului și industria aviației. Adesea, întreprinderile, firmele, fabricile pur și simplu nu se pot lipsi de produse care ar putea funcționa în condiții extreme de muncă.

Dezvoltarea acestei industrii are perspective mari, ceea ce presupune o creștere a calității materialelor de prelucrare, a duratei de viață a acestora, a productivității, a rezistenței la uzură și a multor alți factori.

Lista surselor utilizate

1. Lakhtin Yu.M. „Manual de știință a materialelor pentru tehnică superioară institutii de invatamant".: 1990. - 514s.

2. Knunyants I.L. „Brief Chemical Encyclopedia” Volumul 2. - M .: Chemistry, 1963. - 539s.

3. Karabasov Yu.S. „Materiale noi” 2002. - 255p.

4. Balkevici V.L. „Ceramica tehnică”.: 1984.

Găzduit pe Allbest.ru

Documente similare

Informații istorice asupra apariției materialelor ceramice, domeniul lor de aplicare. Principal caracteristici fizico-chimice ceramica, materii prime aplicate. Schema generala etapele tehnologice producția de materiale ceramice, caracteristicile sale.

lucrare de termen, adăugată 03/02/2011


Informații istorice despre apariția ceramicii, domeniul de aplicare a acesteia. Tehnologii moderne materiale ceramice. Producția de materiale ceramice, produse în Kazahstan, CSI și în străinătate. Producerea și utilizarea produselor pentru pereți și finisaje.

lucrare de termen, adăugată 06.06.2014


Studiul conceptului, tipurilor și proprietăților materialelor și produselor ceramice. Caracteristicile materiilor prime și procesul de producție a produselor ceramice. Studiul utilizarii in constructii atat a peretilor, a acoperisului, a materialelor de parament cat si a agregatelor de beton.

rezumat, adăugat 26.04.2011


Metalurgia pulberilor. Elementele principale ale tehnologiei metalurgiei pulberilor. Metode de fabricare a materialelor pulverulente. Metode de control al proprietăților pulberilor. Proprietăți chimice, fizice, tehnologice. Regularități de bază ale presarii.

lucrare de termen, adăugată 17.10.2008


Ceramica pe baza de ZrO2: structura si proprietăți mecanice. Ceramica pe baza de pulberi ultrafine. Tehnologie de obținere a materialelor ceramice. Metoda emisiei acustice. Structura, compoziția de fazăși proprietățile mecanice ale ceramicii ZrO2.

teză, adăugată 08.04.2012


Tipuri de ceramică, caracteristici ale materialelor utilizate pentru turnarea produselor ceramice. Prepararea masei ceramice. Presare semi-uscata si hidrostatica. Diverse opțiuni de turnare prin vibrații. Specificul utilizării turnării slip.

rezumat, adăugat 13.12.2015


Tehnologie diferite feluri ceramica de corindon. Influența presiunii externe și a aditivilor asupra temperaturii de sinterizare a ceramicii. fizico-mecanic şi proprietăți fizice ceramica pe baza de dioxid de zirconiu. Compoziția argilei polimerice Premo Sculpey, coacerea acesteia.

lucrare de termen, adăugată 27.05.2015


Analiza existentelor procese tehnologice prelucrarea diamanto-abrazivă a acoperirilor pulverizate și a ceramicii minerale tehnice. Proprietățile fizice și mecanice ale materialelor ceramice. Influența factorilor tehnologici asupra prelucrării ceramicii pulverizate.

teză, adăugată 28.08.2011


Studiul produselor comerciale sub formă placi ceramice pentru pardoseli și domeniul său de aplicare în construcții. Proprietățile de consum ale plăcilor ceramice. Descrierea tehnologiei de producere a acestuia. Caracteristicile materiilor prime semi-uscate. Control de calitate.

rezumat, adăugat 03.11.2011


Studiul tehnologiei de fabricare a ceramicii - materiale obținute din substanțe argiloase cu aditivi minerali sau organici sau fără aceștia prin turnare și ardere ulterioară. Etape de producție: turnarea produsului, decorare, uscare, ardere.

Tipuri de materiale ceramice. Materialele ceramice se numără printre principalele materiale care au o influență decisivă asupra nivelului și competitivității produselor industriale. Această influență va continua în viitorul apropiat. Intrând în inginerie și tehnologie la sfârșitul anilor 1960, materialele ceramice au făcut o adevărată revoluție în știința materialelor, în scurt timp devenind, după toate punctele de vedere, al treilea material industrial după metale și polimeri.

Materialele ceramice au fost prima clasă de materiale care au concurat cu metalele pentru utilizare la temperaturi ridicate.

Principalii dezvoltatori și producători de materiale ceramice sunt SUA și Japonia. În tabel. 2.1 prezintă clasificarea principalelor tipuri de materiale ceramice.

Un studiu realizat de Biroul Național de Standarde al SUA a arătat că utilizarea materialelor ceramice a făcut posibilă economisirea resurselor țării în valoare de peste 3 miliarde de dolari până în anul 2000. Economiile așteptate au fost realizate în primul rând prin utilizarea transportului. motoare cu piese din materiale ceramice, materiale ceramice de tăiere și optoceramice pentru transmiterea informațiilor. Pe lângă economiile directe, utilizarea materialelor ceramice va reduce consumul de metale scumpe și rare: titan și tantal în condensatoare, wolfram și cobalt în sculele de tăiere, cobalt, crom și nichel în motoarele termice.

Fabricarea materialelor ceramice. Tehnologia ceramicii prevede urmatoarele etape principale: obtinerea pulberilor initiale, consolidarea pulberilor, i.e. producerea materialelor compacte, prelucrarea acestora și controlul produselor.

În producția de materiale ceramice de înaltă calitate, cu uniformitate ridicată a structurii, se utilizează pulberi de materii prime cu o dimensiune a particulelor de până la 1 μm. Procesul de obținere a unui grad atât de ridicat de dispersie necesită multă energie și este una dintre principalele etape ale tehnologiei ceramice.

Caracteristicile principalelor tipuri de materiale ceramice

Tip funcțional de materiale ceramice	Proprietăți folosite	Aplicație	Conexiuni utilizate
Electroceramica	Conductivitate electrică, izolație electrică, proprietăți dielectrice și piezoelectrice	Circuite integrate, condensatoare, vibratoare, aprinderi, încălzitoare, termistoare, tranzistoare, filtre, panouri solare, electroliți solizi	BeO, MgO, V2O3, ZnO, A1 2 0 3, Zr0 2, SiC, B 4 C, TiC, CdS, titanați, Si 3 N 4
Magnestoceramica	Proprietăți magnetice	Capete de înregistrare magnetice, suporturi magnetice, magneți	Ferite magnetice moi și dure
Optoceramica	Transparență, polarizare, fluorescență	lămpi presiune ridicata, ferestre transparente IR, materiale laser, ghiduri de lumină, elemente de memorie optică, ecrane de afișare, modulatoare	A1 2 0 3 , MgO, Y 2 0 2 , Si0 2 , Zr0 2 , T0 2 , Y 2 0 3 , Th0 2 , ZnS, CdS
Chimioceramica	Capacitate de absorbție și adsorbție, activitate catalitică, rezistență la coroziune	Sorbanți, catalizatori și purtătorii acestora, electrozi, senzori de umiditate a gazului, elemente ale reactoarelor chimice	ZnO, Fe 2 0 3 , SnO, Si0 2 , MgO, BaS, CeS, TiB 2 , ZrB 2 , A1 2 0 3 , SiC, titanide
Bioceramica	Compatibilitate biologică, rezistență la biocoroziune	Proteze de dinți, articulații	Sisteme de oxid

Termoceramica	Rezistență la căldură, rezistență la căldură, rezistență la foc, conductivitate termică, coeficient de dilatare termică (CTE), capacitate termică	Materiale refractare, conducte termice, căptușeală de reactoare de înaltă temperatură, electrozi pentru metalurgie, schimbătoare de căldură, protecție termică	SiC, TiC, В4С, TiB 2 , ZrB 2 , Si 3 N 4 , BeS, CeS, BeO, MgO, Zr0 2 , A1 2 0 3 , TiO, materiale compozite
mecanoceramica	Duritate, rezistență, modul de elasticitate, tenacitate la rupere, rezistență la uzură, proprietăți tribologice, CTE, rezistență la căldură	Piese pentru motoare termice; piese de etanșare, anti-fricțiune și frecare; sculă de tăiere; scule de presare, ghidaje și alte piese rezistente la uzură	Si 3 N 4 , Zr0 2 , SiC, TiB 2 , ZnB 2 , TiC, TiN, WC, B 4 C, A1 2 0 3 , BN, materiale compozite
ceramica nucleara	Rezistență la radiații, rezistență la căldură, rezistență la căldură, secțiune transversală de captare a neutronilor, rezistență la foc, radioactivitate	Combustibil nuclear, căptușeală reactorului, materiale de ecranare, absorbanți de radiații, absorbanți de neutroni	U0 2 , U0 2 , Pu0 2 , UC, US, ThS, SiC, B 4 C, A1 2 0 3 , BeO
supraconductoare ceramică	Sârmă electrică și punte	Linii electrice, generatoare magnetogazdinamice, dispozitive de stocare a energiei, circuite integrate, transport feroviar maglev, vehicule electrice	Sisteme de oxid: La-Ba-Cu-O; La-Sr-Cu-O; Y-Ba-Cu-0

Măcinare produs mecanic folosind medii de măcinare și tayuka prin pulverizarea materialului care urmează să fie măcinat în stare lichidă, depunere pe suprafețe reci din faza de vapori-gaz, efect de vibro-cavitație asupra particulelor din lichid, folosind sinteză cu autopropagare la temperatură ridicată și alte metode.

Pentru măcinarea ultrafină (particule mai mici de 1 micron), morile vibrante sau atritoarele sunt cele mai promițătoare.

Consolidarea materialelor ceramice constă în procese de turnare și sinterizare. Există trei grupuri principale de metode de turnare:

• presare sub actiunea presiunii compresive, in care compactarea pulberii are loc datorita scaderii porozitatii;
• turnarea plasticului prin extrudarea barelor și țevilor prin muștiuc (extrudarea) maselor de turnare cu plastifianți care măresc fluiditatea acestora;
• turnare slip pentru fabricarea de produse cu pereți subțiri de orice formă complexă, în care suspensiile lichide de pulberi sunt utilizate pentru turnare.

În trecerea de la presare la turnarea plastică și turnarea cu alunecare, posibilitățile de fabricare a produselor de formă complexă cresc, dar procesul de uscare a produselor și îndepărtarea plastifianților din materialul ceramic devine mai complicat. Prin urmare, pentru fabricarea de produse într-o formă relativ simplă, se preferă presare și mai complex - extrudare și turnare cu alunecare.

În timpul sinterizării, particulele individuale de pulbere se transformă într-un monolit și se formează proprietățile finale ale ceramicii. Procesul de sinterizare este însoțit de o scădere a porozității și contracție.

La fabricarea materialelor ceramice se folosesc cuptoare de sinterizare la presiune atmosferică, instalații de presare izostatică la cald (gazostat), prese de presare la cald cu o forță de presare de până la 1.500 kN. Temperatura de sinterizare, în funcție de compoziție, poate fi de 2000...2200 °C.

Sunt adesea folosite metode combinate de consolidare, combinând turnarea cu sinterizarea și, în unele cazuri, sinteza compusului rezultat cu turnarea și sinterizarea simultană.

Prelucrarea materialelor ceramice și controlul calității acestuia sunt componentele principale în balanța costului produselor ceramice.

Potrivit unor rapoarte, costul materiilor prime și al consolidării este de doar 11% (pentru metale 43%), în timp ce prelucrarea reprezintă 38% (pentru metale 43%), iar controlul 51% (pentru metale 14%).

La principalele metode prelucrarea materialelor ceramice includ tratamentul termic și tratamentul dimensional al suprafeței.

Tratamentul termic al materialelor ceramice se efectuează pentru a cristaliza faza de sticlă intergranulară. În același timp, duritatea și duritatea la rupere a materialului cresc cu 20...30%.

Majoritatea materialelor ceramice sunt greu de prelucrat. Prin urmare, principala condiție pentru tehnologia ceramică este obținerea de produse practic finite în timpul consolidării. Pentru finisarea suprafetelor produselor ceramice se folosesc prelucrari abrazive cu roti diamantate, prelucrari electrochimice, ultrasonice si laser. Utilizarea straturilor de protecție este eficientă, ceea ce face posibilă eliminarea celor mai mici defecte de suprafață - nereguli, riscuri etc.

Pentru a controla calitatea producției pieselor ceramice, cel mai des sunt utilizate detectarea defectelor cu raze X și cu ultrasunete.

Având în vedere că majoritatea materialelor ceramice au vâscozitate și plasticitate scăzute și, în consecință, rezistență scăzută la fisurare, se folosesc metode de mecanică a ruperii pentru a certifica produsele cu determinarea factorului de intensitate a tensiunii Pentru a k.În același timp, este trasată o diagramă care arată cinetica creșterii defectelor.

Cantitativ, duritatea la rupere a ceramicii cristaline și a sticlei este de aproximativ 1...2 MPa/m |/2, în timp ce pentru metale valorile /G| C este mult mai mare (mai mult de 40 MPa/m |/2). Rezistența legăturilor interatomice chimice, datorită cărora materialele ceramice au duritate mare, rezistență chimică și termică, determină simultan capacitatea lor scăzută de deformare plastică și tendința de rupere fragilă.

Există două abordări posibile pentru creșterea tenacității la rupere a materialelor ceramice. Una dintre ele, cea tradițională, este asociată cu îmbunătățirea metodelor de măcinare și purificare a pulberilor, compactarea și sinterizarea acestora. A doua abordare este de a inhiba creșterea fisurilor sub sarcină. Există mai multe modalități de a rezolva această problemă. Una dintre ele se bazează pe faptul că în unele materiale ceramice, de exemplu, în dioxidul de zirconiu Zr02, structura cristalină este rearanjată sub presiune. Structura tetragonală inițială Zr0 2 devine monoclinică, având un volum cu 3...5% mai mare.

În expansiune, boabele de Zr0 2 comprimă fisura și își pierde capacitatea de a se propaga (Fig. 2.1, A).În acest caz, rezistența la rupere fragilă crește la 15 MPa/m |/2.

A doua metodă (Fig. 2.1, b) constă în realizarea unui material compozit prin introducerea de fibre în ceramică dintr-un material mai durabil

Orez. 2.1. Consolidarea ceramicii structurale cu incluziuni Zr0 2 (a), fibre (b)și microfisuri (c):

/ - tetragonal Zr0 2 ; 2 - Zr0 2 monolitic

material ceramic cum ar fi carbură de siliciu SiC. O fisură în curs de dezvoltare întâlnește o fibră pe drum și nu se propagă mai departe. Rezistența la rupere a sticlei ceramice cu fibre de SiC crește la 20 MPa/m |/2, apropiindu-se substanțial de valorile corespunzătoare pentru metale.

A treia cale este că, cu ajutorul unor tehnologii speciale, întregul material ceramic este pătruns de microfisuri (Fig. 2.1, V). Când fisura principală întâlnește o microfisura, unghiul de la vârful fisurii crește, fisura devine tocită și nu se propagă mai departe.

Un interes deosebit este o metodă fizico-chimică pentru creșterea fiabilității materialelor ceramice. A fost implementat pentru unul dintre cele mai promițătoare materiale ceramice pe bază de nitrură de siliciu Si 3 N 4 . Metoda se bazează pe formarea unei anumite compoziții stoichiometrice a soluțiilor solide de oxizi metalici în nitrură de siliciu, numită sialoni. Un exemplu de ceramică de înaltă rezistență formată în acest sistem sunt sialonii de compoziție Si^^Ai^Ng^O^, unde X - numărul de atomi de siliciu substituiți, azot în nitrură de siliciu, variind de la 0 la 4,2. O proprietate importantă a ceramicii sialon este rezistența la oxidare la temperaturi ridicate, care este mult mai mare decât cea a nitrurii de siliciu.

Proprietățile și aplicarea materialelor ceramice. ÎNÎn inginerie mecanică modernă, utilizarea materialelor ceramice este în continuă creștere. Ele sunt diverse ca compoziție chimică și caracteristici fizice și mecanice. Materialele ceramice pot lucra la temperaturi ridicate - 1600 ... 2500 ° C (oțeluri rezistente la căldură 800 ... I 200 ° C, molibden - 1 500 ° C, wolfram - 1 800 ° C), au o densitate de 2 -3 ori mai mic decât cel al materialelor rezistente la căldură, duritate apropiată de cea a diamantului, caracteristici dielectrice excelente, rezistență chimică ridicată. Stocurile de materii prime pentru producerea ceramicii pe pământ sunt inepuizabile. Materialele ceramice sunt folosite la fabricarea pieselor de turbine cu gaz și motoare diesel, elemente de combustibil ale reactoarelor nucleare, blindaje ușoare și elemente de protecție termică a navelor spațiale, flotoare cu pereți subțiri și containere pentru echipamente de adâncime, plăci de tăiere și echipamente pentru deformarea la cald a metalelor, piston și inele de etanșare în pompe pentru pomparea mediilor agresive, elemente de giroscoape de înaltă precizie și plăci de computer, rulmenți, magneți permanenți etc.

Utilizarea materialelor ceramice în motoarele de automobile va face posibilă creșterea temperaturii de funcționare în cilindri de la I 200 la 1.600 °C, reducând în același timp pierderile de căldură, reducând consumul de combustibil și îmbunătățind performanța. La fabricarea produselor din materiale ceramice, nu se poate înlocui pur și simplu piesele metalice cu cele ceramice. O atenție deosebită trebuie acordată condițiilor de lucru și sarcinilor care acționează, deoarece toate piesele sunt realizate ca un întreg, ceea ce poate reduce rezistența întregii structuri. În plus, nu are deformare plastică și are o rezistență scăzută la impact.

Sunt formulate principalele cerințe care ar trebui luate în considerare la proiectarea pieselor ceramice.

În zonele încărcate, piesa ceramică nu trebuie să aibă concentratoare de tensiuni. Practic nu folosesc îmbinări cu șuruburi în structurile ceramice, încearcă să nu facă găuri în ele, să facă pervazuri, caneluri pentru a evita microfisurile. Tampoanele de amortizare sunt instalate în punctele de contact dintre ceramică și metal.

Părțile metalice și ceramice ale unui produs trebuie să aibă același coeficient de dilatare termică, altfel prevăd instalarea de garnituri de compensare și iau în considerare procesele tranzitorii atunci când are loc încălzirea sau răcirea.

Ceramica are o capacitate termică de 2 ori mai mare decât metalul, ceea ce provoacă deformații termice și solicitări. Este foarte de dorit ca temperatura piesei ceramice pe tot volumul să fie aceeași. Tensiunile de compresiune sunt percepute cel mai favorabil. În absența sarcinii, tensiunile reziduale ale polimerizării sale nu trebuie să rămână în părțile ceramice.

În prezent se folosesc materiale ceramice pe bază de nitrură de siliciu - nitruri de siliciu legate prin reacție, sinterizate și presate la cald cu aditivi de aliere. Nitrura de siliciu legată de reacție are o rezistență relativ scăzută în comparație cu alte materiale, dar părțile unui profil complex realizat din ea prezintă o contracție constantă scăzută. Nitrură de siliciu presată la cald pentru rezistență maximă. Proprietățile materialelor ceramice depind în mod semnificativ de parametrii de funcționare și de tehnologia de fabricare a acestora. Au fost dezvoltate compoziții ceramice care, în ceea ce privește caracteristicile lor de performanță, pot înlocui oțelurile termorezistente, dar evoluțiile în domeniul compozițiilor și al tehnologiei pentru producerea lor continuă. Dezavantajele fundamentale ale materialelor ceramice sunt fragilitatea și complexitatea prelucrării lor. Materialele ceramice funcționează slab în condiții de șoc mecanic sau termic, precum și în condiții de încărcare ciclică. Se caracterizează printr-o sensibilitate ridicată la tăieturi. În același timp, materialele ceramice au rezistență ridicată la căldură, rezistență excelentă la coroziune și conductivitate termică, ceea ce le face potrivite pentru utilizare ca elemente de protecție termică.

La temperaturi de peste 1.000 °C, materialele ceramice sunt mai rezistente decât orice aliaje, inclusiv superaliaje, iar rezistența la fluaj și la căldură sunt mai mari. Principalele domenii de aplicare ale materialelor ceramice includ sculele de tăiere, părțile motoarelor cu ardere internă și motoarelor cu turbină cu gaz etc.

Instrument de tăiat ceramică. Materialele ceramice de tăiat se caracterizează prin duritate ridicată, inclusiv atunci când sunt încălzite, rezistență la uzură, inerție chimică față de majoritatea metalelor în timpul procesului de tăiere. Conform complexului acestor proprietăți, materialele ceramice sunt semnificativ superioare materialelor tradiționale de tăiere - oțeluri de mare viteză și aliaje dure (Tabelul 2.2).

Proprietățile ridicate ale tăierii materialelor ceramice au făcut posibilă creșterea semnificativă a vitezei de prelucrare a oțelului și a fontei (Tabelul 2.3).

Pentru fabricarea sculelor de tăiere, materiale ceramice pe bază de oxid de aluminiu cu adaos de

Masa Și cca 2,2

Valori comparative ale proprietăților materialelor pentru scule

dioxid de zirconiu, carburi și nitruri de titan, precum și pe bază de compuși fără oxigen - nitrură de bor cu o rețea cubică (p-BN), numită de obicei nitrură de bor cubică și nitrură de siliciu Si 3 N 4 . Elementele de așchiere pe bază de nitrură de bor cubică, în funcție de tehnologia de producție, produse sub denumirile de cot, borazon, compozit 09 și altele, au o duritate apropiată de cea a unei scule diamantate și rămân rezistente la încălzirea în aer până la 1.400 °C. Spre deosebire de uneltele cu diamant, nitrura de bor cubică este inertă din punct de vedere chimic față de aliajele pe bază de fier. Poate fi folosit pentru strunjirea brută și de finisare a oțelurilor călite și a fontelor de aproape orice duritate.

Plăcuțele de tăiere din ceramică sunt folosite pentru a echipa diverse freze, scule de strunjire, capete de alezat și unelte speciale.

motoare ceramice. Din a doua lege a termodinamicii rezultă că, pentru a crește eficiența oricărui proces termodinamic, este necesară creșterea temperaturii la intrarea în convertorul de energie: randament = 1 - T 2 /T b Unde T tȘi T 2- temperatura, respectiv, la intrarea si la iesirea convertizorului de energie. Cu cât temperatura este mai mare T și cu atât mai multă eficiență.

Temperaturile maxime admise sunt determinate de rezistența la căldură a materialului. Materialele ceramice structurale permit utilizarea unor temperaturi mai ridicate în comparație cu metalul și, prin urmare, sunt materiale promițătoare pentru motoarele cu ardere internă și motoarele cu turbine cu gaz. Pe lângă o eficiență mai mare a motoarelor datorită creșterii temperaturii de funcționare, avantajele materialelor ceramice sunt densitatea scăzută și conductivitatea termică, creșterea

Tabelul 2.3

Valori comparative ale vitezei de așchiere la strunjirea sculelor ceramice și a sculelor din carbură

rezistenta termica si la uzura. În plus, la utilizarea materialelor ceramice, costul sistemului de răcire este redus sau eliminat.

În același timp, în tehnologia de fabricație a motoarelor ceramice rămân o serie de probleme nerezolvate. Acestea includ în primul rând problemele de asigurare a fiabilității, rezistenței la șocuri termice și dezvoltarea unor metode de conectare a pieselor ceramice cu metal și plastic.

Cea mai eficientă utilizare a materialelor ceramice pentru fabricarea motoarelor diesel cu piston adiabatic cu izolație ceramică și a motoarelor cu turbină cu gaz la temperatură înaltă.

Materialele structurale ale motoarelor adiabatice trebuie să fie stabile în intervalul de temperaturi de funcționare de 1300 ... 1500 K, să aibă o rezistență la încovoiere o "zg de cel puțin 800 MPa și un factor de intensitate a tensiunii de cel puțin 8 MPam |/2. Aceste cerințe sunt cel mai bine îndeplinite de materialele ceramice pe bază de dioxid de zirconiu Zr0 2 și nitrură de siliciu. Cea mai extinsă lucrare la motoarele ceramice se desfășoară în Japonia și SUA. Compania japoneză lsuzu motors ltd. a stăpânit fabricarea precamerului și a mecanismului de supapă al unui motor adiabatic, Nissan Motors Ltd. - rotoare turbocompresoare, Mazda Motors Ltd. - precameră și degete împingătoare.

Cammin Engine Company (SUA) a stăpânit o versiune alternativă a unui motor de camion cu acoperiri cu plasmă Zr0 2 aplicate pe coroana pistonului, suprafața interioară a cilindrului, canalele de admisie și de evacuare. Economia de combustibil la 100 km de cale a fost de peste 30%.

lsuzu motors ltd. a anunțat dezvoltarea cu succes a unui motor ceramic care funcționează pe benzină și motorină. O mașină cu un astfel de motor dezvoltă o viteză de până la 150 km/h, eficiența arderii combustibilului este cu 30...50% mai mare decât cea a motoarelor convenționale, iar greutatea este cu 30% mai mică.

Materialul ceramic structural pentru motoarele cu turbine cu gaz, spre deosebire de un motor adiabatic, nu necesită conductivitate termică scăzută. Având în vedere că piesele ceramice ale motoarelor cu turbină cu gaz funcționează la temperaturi mai ridicate, acestea trebuie să mențină rezistența la nivelul de 600 MPa la temperaturi de până la 1670 K (în viitor până la 1920 K) cu deformare plastică de cel mult 1% timp de 500 de ore de operare. Nitrururile și carburile de siliciu cu rezistență ridicată la căldură sunt utilizate ca material pentru astfel de părți critice ale motoarelor cu turbină cu gaz, cum ar fi o cameră de ardere, părți de supapă, un rotor de turbocompresor, un stator.

Îmbunătățirea caracteristicilor de performanță ale motoarelor de aeronave este imposibilă fără utilizarea materialelor ceramice.

Materiale ceramice pentru scopuri speciale. Materialele ceramice pentru scopuri speciale includ ceramica supraconductoare, ceramica pentru fabricarea containerelor cu deșeuri radioactive, protecția blindajului echipamentului militar și protecția termică a focoaselor de rachete și nave spațiale.

Containere pentru depozitarea deșeurilor radioactive. Unul dintre factorii limitativi în dezvoltarea energiei nucleare este complexitatea depozitării deșeurilor radioactive. Pentru fabricarea recipientelor se folosesc materiale ceramice pe baza de oxizi B 2 O 3 si carburi de bor B 4 C amestecate cu oxizi de plumb PbO sau compusi de tip 2PbO PbS0 4. După sinterizare, astfel de amestecuri formează ceramică densă cu porozitate scăzută. Se caracterizează printr-o capacitate puternică de absorbție în ceea ce privește particulele nucleare - neutroni și y-quanta.

Materiale ceramice blindate rezistente la impact. Pentru prima dată, aceste materiale au fost folosite în aviația armatei americane în timpul războiului din Vietnam. De atunci, utilizarea armatelor a crescut continuu. tari diferite armuri realizate din materiale ceramice în combinație cu alte materiale pentru protecția vehiculelor de luptă terestră, navelor, aeronavelor și elicopterelor. Potrivit diverselor estimări, creșterea utilizării protecției armurii ceramice este de aproximativ 5 ... 7% pe an. În același timp, s-a înregistrat o creștere a producției de armuri compozite pentru protecția individuală a forțelor de ordine, ca urmare a creșterii criminalității și a actelor de terorism.

Prin natura lor, materialele ceramice sunt casante. Cu toate acestea, la o rată de încărcare mare, de exemplu, în cazul unui impact exploziv, când această rată depășește rata de mișcare a dislocațiilor în metal, proprietățile plastice ale metalelor nu vor juca niciun rol și metalul va fi la fel de casant ca ceramica. În acest caz particular, materialele ceramice sunt substanțial mai rezistente decât metalul.

Proprietățile importante ale materialelor ceramice, care au condus la utilizarea lor ca armură, sunt duritatea ridicată, modulul elastic, temperatura de topire (descompunere) la o densitate de 2-3 ori mai mică decât densitatea materialelor. Păstrarea rezistenței la încălzire permite utilizarea materialelor ceramice pentru proiectile perforatoare.

Ca criteriu M adecvarea materialului pentru protecția armurii, se poate utiliza următorul raport:

Unde E - modulul de elasticitate, GPa; H la - Duritatea Knoop, GPa; o - rezistența maximă la tracțiune, MPa; T t - punctul de topire, K; p - densitate, g / cm 3.

În tabel. 2.4 prezintă principalele proprietăți ale materialelor ceramice pentru blindaje utilizate pe scară largă în comparație cu proprietățile oțelului pentru blindaj. Materialele pe bază de carbură de bor au cele mai înalte proprietăți de protecție. Aplicarea lor în masă este împiedicată de costul ridicat al metodei de presare. Prin urmare, plăcile de carbură de bor sunt utilizate atunci când este necesar să se reducă în mod semnificativ masa de protecție a blindajului, de exemplu, pentru a proteja scaunele și sistemele de control automat ale elicopterelor, echipajului și trupelor. Materialele ceramice cu diborură de titan, care au cea mai mare duritate și modul de elasticitate, sunt folosite pentru a proteja împotriva carcaselor tancurilor grele care străpung armura și străpunge armura.

Pentru producția în masă a materialelor ceramice, oxidul de aluminiu relativ ieftin este cel mai promițător. Materialele ceramice pe baza acestuia sunt folosite pentru a proteja forța de muncă, echipamentele militare terestre și maritime.

Depusă de Morgan M. Ltd. (SUA), o placă de carbură de bor cu grosimea de 6,5 mm sau o placă de oxid de aluminiu cu grosimea de 8 mm oprește un glonț de 7,62 mm care zboară cu o viteză de peste 800 m/s când este tras la distanță apropiată. Pentru a obține același efect

Tabelul 2.4

Proprietățile materialelor ceramice rezistente la impact

Material	Densitate	Duritatea Knoop # k, GPa	Rezistența la tracțiune o in, MPa	Modul elastic E, GPa	Temperatură de topire T pl, LA	Criteriul de rezistență a blindajului L/, (GPa m) 3 - K/kg
Carbură de bor presată la cald B 4 C
Diborură de titan presată la cald TiB 2
Carbură de siliciu SiC
Oxid de aluminiu sinterizat A1 2 0 3
blindat

armura din oțel ar trebui să aibă o grosime de 20 mm, în timp ce masa sa va fi de 4 ori mai mare decât cea a ceramicii.

Cea mai eficientă utilizare a armurii compozite, constând din mai multe straturi eterogene. Stratul ceramic exterior percepe șocul principal și sarcina termică, este zdrobit în particule mici și disipează energia cinetică a proiectilului. Energia cinetică reziduală a proiectilului este absorbită de deformarea elastică a substratului, care poate fi oțel, duraluminiu sau țesătură Kevlar în mai multe straturi. Este eficient să acoperiți stratul ceramic cu un material inert fuzibil, care joacă rolul unui fel de lubrifiant și schimbă oarecum direcția proiectilului, care oferă un ricoșeu. Designul panoului blindat ceramic este prezentat în fig. 2.2. Panoul blindat constă din plăci ceramice separate conectate în serie de 50x50 sau 100x 100 mm. Pentru a proteja împotriva gloanțelor perforatoare cu un calibru de 12 mm, se folosesc plăci de A1 2 0 3 cu o grosime de 12 mm și 35 de straturi de Kevlar și împotriva gloanțelor cu un calibru de 7,62 mm, care sunt în serviciu cu NATO. , plăci de A1 2 0 3 cu grosimea de 6 mm și 12 straturi kevlar.

În timpul Războiului din Golf, utilizarea pe scară largă de către armata SUA a armurii ceramice din Al 2 0 3 , SiC și B 4 C a demonstrat eficiența sa ridicată. Pentru protecția armurii, este promițătoare și utilizarea materialelor pe bază de AIN, TiB și rășini poliamidice armate cu fibre ceramice.

Materiale ceramice în rachete și inginerie spațială. Când zboară în straturi dense ale atmosferei, focoasele de rachete, nave spațiale, vehicule reutilizabile, încălzite la o temperatură ridicată, au nevoie de protecție termică fiabilă. Materialele de protectie termica trebuie

Orez. 2.2.

a b - componente ale panoului blindat pentru protecție împotriva gloanțelor perforatoare de diferite calibre; V - fragment dintr-un panou blindat asamblat din elemente a și b; eu- glonț perforator calibrul 12,7 mm; 2- calibru glonț 7,62 mm; 3 - de protecţie

stratul este parțial îndepărtat pentru a avea rezistență și rezistență ridicată la căldură în combinație cu valori minime ale coeficientului de dilatare termică, conductivitate termică și densitate.

Centrul de Cercetare NASA (Centrul de Cercetare NASA Ames) a dezvoltat compoziții de plăci ceramice fibroase cu ecranare termică destinate navelor spațiale reutilizabile.

Pentru a crește rezistența, reflectivitatea și caracteristicile ablative ale suprafeței exterioare a materialelor de protecție termică, acestea sunt acoperite cu un strat de email de aproximativ 300 µm grosime. Emailul care conține SiC sau 94% Si0 2 și 6% B 2 0 3 este aplicat sub formă de alunecare la suprafață și apoi sinterizat la o temperatură de 1470 K. Plăcile acoperite sunt utilizate în cele mai încălzite locuri ale navelor spațiale, rachetelor balistice și aeronavelor supersonice. . Ele pot rezista până la 500 de încălziri de zece minute într-o plasmă cu arc electric la o temperatură de 1670 K. Variante ale sistemului de protecție termică ceramică a suprafețelor frontale ale aeronavelor sunt prezentate în fig. 2.3.

Stratul de placare protejează stratul termoizolant de distrugerea ablativă și erozivă și percepe sarcina termică principală.

Materiale ceramice radiotransparente. Pentru dezvoltarea tehnologiei moderne radio, electronice și informatice sunt necesare materiale pe bază de oxid de aluminiu, nitruri de bor, siliciu, având o temperatură de funcționare de până la 3.000 ° C, având valori stabile ale constantei dielectrice și pierderi dielectrice scăzute cu o tangentă de pierderi dielectrice tg 8 = 0, 0001 ...0,0002.

Astfel de materiale includ alumină pură, nitrură de bor presată la cald, materiale ceramice TSM 303 și ARP-3, nitrură de bor sinterizată, vitroceramică D-2, materiale ceramice cuarț, nitrură de siliciu pură etc.

Materialele radiotransparente trebuie să aibă un set de proprietăți: stabilitatea caracteristicilor dielectrice pe întreaga gamă de temperaturi de funcționare, stabilitate termică, eroziune

Orez. 2.3.

/ - material ceramic pe bază de SiC sau SijN 4 ; 2 - izolație termică; 3 - material ceramic sinterizat

rezistenta calitate superioară suprafeţe, rezistenţă la radiaţii ionizante etc. Ele joacă rolul unui material structural din care sunt realizate elemente structurale portante radio-transparente. Deoarece porozitatea ceramicii oxidice poate fi variată între 0...90%, acest lucru face posibilă obținerea de materiale fundamental diferite ca proprietăți de la același oxid.

Materialele obținute prin metoda de structurare, de exemplu, din dioxid de zirconiu, nu sunt deloc distruse atunci când sunt expuse unui flux de căldură de orice intensitate.

Un exemplu de structurare este și producția de vitro-ceramice în care este selectat raportul optim dintre fazele cristaline și amorfe. Prin modificarea compoziției chimice și a structurii, este posibil să se obțină clase întregi de vitro-ceramice cu proprietățile dorite.

O altă direcție în producția de materiale radiotransparente este utilizarea dopanților. În special, introducerea a mai multor procente de oxizi de magneziu și bor în oxidul de aluminiu crește rezistența la căldură și rezistența la impact la absorbția de umiditate zero cu un factor de 2-3. Introducerea a 2...5% oxid de crom în materialul ceramic de cuarț crește gradul integral de emisivitate de 2-3 ori și încetinește de 2 ori atenuarea semnalului radio la temperaturi ridicate.

A treia direcție în dezvoltarea materialelor radiotransparente este dezvoltarea materialelor de nitrură și a compozițiilor bazate pe acestea, în special, nitruri de bor, siliciu și aluminiu.

Nitrura de bor are cele mai bune caracteristici dielectrice dintre toate materialele cunoscute în prezent, care operează la temperaturi de până la 2000 ° C, deși are rezistență și duritate relativ scăzute. Pe baza acestuia, de exemplu, se face sibonita care conține nitrură de bor și dioxid de siliciu. Modificând raportul și dispersia acestora, este posibil să se obțină o serie de materiale noi care combină avantajele nitrurii de bor și ale ceramicii cuarțului.

Cea mai recentă direcție în dezvoltarea materialelor radiotransparente este crearea de materiale compozite, în special, materiale ceramice impregnate cu organice și substante anorganice, rășini și săruri. Acestea combină proprietăți dielectrice bune la temperaturi ridicate datorită utilizării unei baze ceramice și rezistență și tenacitate ridicate datorită liantului.

În funcție de scopul și caracteristicile operaționale ale produsului, pentru acesta sunt dezvoltate materiale ceramice radio-transparente adecvate. Constanta dielectrică a materialelor ceramice cuarț crește monoton odată cu creșterea temperaturii până la 1500 °C, iar în intervalul 1500...1700 °C crește brusc.

crește cu 18%, ceea ce este asociat cu topirea materialului, însoțită de o creștere a densității acestuia până la valoarea teoretică (2210 kg/m 3 la 20 °C). După topire, materialul rămâne radio-transparent și constanta sa dielectrică crește la 4,3 la o temperatură de 2500 °C. Deoarece, în funcție de condițiile de funcționare, modificarea nu trebuie să depășească 10%, materialele ceramice de cuarț sunt potrivite pentru temperaturi de funcționare de până la 1.350 °C, iar oxidul de aluminiu - până la 815 °C. Cu o creștere a porozității în volum de la 5 la 20%, constanta dielectrică scade direct proporțional cu scăderea densității ceramicii. Tangenta de pierdere dielectrică tg 6 a materialelor ceramice cuarțoase la temperatura camerei este de 0,0002 - 0,0004 la o frecvență de 10 Hz. Cu o creștere a temperaturii la 1.000 ° C, tg 6 crește la 0,005.

Nitrura de bor este până acum singurul material al cărui tg5 rămâne sub 0,001 la temperaturi de până la 1500 °C. Mai mult, modificarea tg8 a nitrurii de bor sinterizate în intervalul 20 ... 1350 ”C nu depășește 3%, pentru materialele ceramice cuarț această valoare este de 10%.

A fost stăpânită o tehnologie pentru sinteza unei pulberi de nitrură de bor foarte activă, capabilă să se sintereze la temperaturi de peste 1.600 °C cu formarea de piese de prelucrat suficient de puternice. Astfel de materiale au impurități de până la 1% și au o structură izotropă. Sunt buni izolatori - rezistența specifică a volumului la temperatura camerei nu este mai mică de 1 10 14 ohm cm. Sub acțiunea unui impuls radiatie nucleara tg 8 în nitrură de bor crește la 0,01 și nu se modifică în ceramica cuarțului. Datorită rezistenței sale excelente la căldură, nitrura de bor sinterizată este folosită ca material structural, deși are o rezistență destul de scăzută.

Materialele pe bază de nitrură de bor, în special cele presate la cald, au o conductivitate termică ridicată, în timp ce materialele ceramice de cuarț sunt mai aproape de izolatorii termici. Conductivitatea sa termică, în funcție de porozitate, fluctuează la o temperatură de 600 ... 700 K în intervalul 0,2 ... 1,0 W / (m K). Conductivitatea termică ridicată poate fi atât un avantaj al materialului (cu cât conductivitatea termică este mai mare, cu atât tensiunile termice sunt mai mici), cât și un dezavantaj dacă materialul radio-transparent îndeplinește și funcții de ecranare termică. Pentru materialele pe bază de nitrură de bor și materiale ceramice de alumină, conductivitatea termică scade odată cu creșterea temperaturii.

Pentru materialele ceramice cuarț și vitroceramice D-2, faza sticloasă, amorfă, are o importanță decisivă.

Designul optim al produselor care funcționează pe uscat, în apă, în aer și în spațiu permite o utilizare mai largă a materialelor radio-transparente.

Mâncărurile de lut ars au apărut cu câteva secole în urmă și de atunci au devenit parte a vieții umane. A supraviețuit până în prezent aproape neschimbat, dar astăzi vrem să vorbim nu în totalitate despre el, ci despre adeptul său mai practic și mai frumos - ceramica.

Diferența față de argila obișnuită

Ceramica diferă de argilă doar în câteva puncte, dar sunt suficiente pentru ca produsele finite să primească noi proprietăți practice.

Acest material constă din două componente principale: argilă, care este folosită ca bază, și aditivi. Ca acesta din urmă, pot fi utilizate diverse substanțe minerale solide, de exemplu, nisip sau cretă obișnuită. Toate acestea afectează porozitatea, gradul de absorbție a apei și chiar culoarea.

O altă diferență importantă constă în tehnologia de producție. În timp ce arderea unui produs de argilă este etapa finală a fabricării acestuia, pt vase ceramice aceasta este doar jumătate din poveste. Pentru o protecție suplimentară și creșterea rezistenței, suprafața sa este în mod necesar acoperită cu un strat subțire de glazură - o compoziție specială pe bază de sticlă. După aplicare, se arde din nou la temperaturi mai scăzute pentru a fixa stratul protector pe suprafață.

Proprietățile ceramicii

În funcție de componentele selectate și de diferențele în tehnologia de fabricație, proprietățile finale ale vaselor ceramice pot varia ușor, dar „lista de bază” de calități rămâne aceeași pentru toate produsele:

• Sunt durabile, dar nu rezistă la lovituri și căderi.
• Ziduri vase ceramice au o structură poroasă, datorită căreia căldura, atunci când este încălzită, începe să se răspândească lin, distribuită uniform pe întreaga suprafață. Acest lucru are un efect pozitiv asupra gustului mâncărurilor, făcându-le mai suculente și mai bogate, amintind de supe și tocănițe dintr-un cuptor rusesc.
• Glazura protejează în mod fiabil baza de absorbția umidității și este rezistentă la zgârieturi.
• Prezența sticlei în acoperire adaugă proprietăți antiaderente vaselor. Chiar și cu o cantitate minimă de ulei, alimentele din ceramică de înaltă calitate nu se lipesc sau ard în timpul gătirii.
• Materialul este ecologic și sigur.
• Nu are propriul miros, deci nu poate strica gustul preparatului finit.
• Intervalul de temperatură pentru utilizarea produselor ceramice este foarte larg - puteți găti în cuptor în ele, precum și păstrați alimente în frigider. Singurul lucru pe care ceramica nu îl poate tolera sunt schimbările bruște de temperatură. Datorită expansiunii puternice a aerului în pori, se crăpă ușor.

feluri

După cum am menționat deja, componentele utilizate în compoziție afectează aspectul și proprietățile, de fapt, formând mai multe tipuri de material:

• Porțelanul este unul dintre cele mai cunoscute și ușor de distins tipuri. Poate fi recunoscut după greutatea sa ușoară și pereții subțiri, ușor transparenți. tacamuri din portelan. Pentru fabricarea sa, se folosește argila albă, care dă foarte „semnătură” nuanță alb-albastru. În ciuda eleganței și subtilității, porțelanul are o rezistență și o rezistență la căldură destul de ridicate.
• Faianta - este asemanatoare portelanului, deoarece este tot din argila alba, dar are o structura mai poroasa, din cauza careia peretii produselor trebuie sa fie mai grosi. Rezistența totală a faianței este cu aproximativ un sfert mai mică decât cea a porțelanului.
• Argila de teracota - spre deosebire de tipurile anterioare, acest material are nuante inchise - de la galben mustar la maro bogat, roscat sau chiar negru. Această caracteristică este adesea transformată într-un avantaj prin acoperirea suprafeței cu o glazură transparentă. Fără protecție suplimentară, o astfel de argilă absoarbe puternic apa, așa că anterior a fost folosită numai pentru fabricarea recipientelor pentru depozitarea produselor uscate în vrac.
• Sticla ceramica este un material modern, care nu include argila. Cu toate acestea, felurile de mâncare din acesta sunt făcute după aproximativ același principiu - produsele nu sunt numai formate dintr-o compoziție specială de sticlă, ci și arse suplimentar.
• Dolomitul este un alt soi care a câștigat popularitate relativ recent. De fapt, nici nu este ceramică (este una dintre soiurile de calcar), ci conform aspectși o serie de proprietăți sunt foarte asemănătoare cu acesta. Vasele pentru gătit și folosite în cuptor nu sunt făcute din acesta, ci sunt folosite pentru a crea, de exemplu, ceainice, boluri de zahăr și vaze.

Ce ustensile de bucătărie sunt făcute din ceramică?

Ceramica este folosită pentru a crea vesela iar alte ustensile de bucătărie este extrem de largă. Din el se fac:

• vase,
• tigaie,
• mazăre,
• forme pentru coacere si coacere,
• cesti, ceainice, seturi,
• boluri de zahăr, boluri de bomboane,
• farfurii și vase mari,
• rafturi pentru oale și Pliculete de ceai,
• agitatoare de sare,
• cuțite de bucătărie.

Probabil că nici măcar nu este lista plina, iar dacă te uiți în bucătăria ta, cu siguranță vei găsi ceva despre care am uitat să menționăm.

Și, în sfârșit, merită să ne concentrăm pe tigăi și oale în care ceramica este folosită doar ca acoperire antiaderență. În ceea ce privește distribuția căldurii, acestea sunt mai aproape de ustensilele metalice obișnuite, dar stratul, spre deosebire de teflon, este mult mai rezistent și mai durabil. Cu toate acestea, nu va fi posibil să se obțină acea aromă foarte bogată și gustul deosebit caracteristic mâncărurilor gătite în vase ceramice.