Процессы фазообразования в алюмооксидной керамике, модифицированной оксидами меди, никеля и бора Кузнецова, Ирина Владимировна

Введение к работе

Актуальность темы: В последнее десятилетие наблюдается интенсивное изучение физико - химических процессов, происходящих при синтезе керамики, что связано с расширением использования керамики в атомной, ракеткой, радиоэлектронной и других отраслях техники.

К наиболее перспективным относятся керамические материалы на основе оксида алюминия. Это связано с комплексом уникальных свойств, присущих этому виду керамики - высокой прочностью при малой плотности, химической инертностью, коррозионной стойкостью и др. Однако имеется ряд недостатков, ограничивающих ее применение: хрупкость, малая теплопроводность, . слабая стойкость при воздействии ударных нагрузок и др.

Управление свойствами материалов за счет вариации условий получения, состава и структуры - это, по существу, одна из основных задач современной химии твердого тела и вообще неорганической химии в целом. Улучшить механические свойства можно изменением фазового состава, микроструктуры, введением различных добавок, армированием волокнами, металлическими частицами, например, за счет восстановления оксидов металлов в составе керамики. Актуальность таких исследований продиктована широкими перспективами использования их результатов как в научном, так и в практическом плане.

Цель работы: Изучение процессов, протекающих в алюмооксидной керамике с модифицирующими добавками оксидов меди и никеля в ходе ее термообработки, установление корреляций между условиями синтеза, фазовым составом, структурой, с одной стороны, физико - химическими и физико - механическими свойствами - с другой.

Для достижения этой цели решались следующие задачи:

1. Исследование физико - химических процессов, протекающих при введении оксидов меди и никеля в присутствии В^Оз в алюмоок-сидную керамику, определение оптимальных условий их реализации.

2. Изучение закономерностей восстановления оксидов металлов в составе алюмооксидной керамики.

3. Установление фазового состава стеклообразных прослоек и возможности его изменения.

4. Выявление зависимости физико - механических свойств керамики и керметов от условий получения, структуры и фазового состава.

Объекты и методы исследования: Основными объектами исследования были выбраны керамика ВК 94-1 на основе оксида алюминия состава: АІ2О3 - 94,4 %; Сг^Оэ - 0,49 X; SiOa - 2,76 %; МпО - 2,35 % С

добавками оксидов меди, никеля и бора.

В работе использовали совокупность различных методов исследс вания состава, структуры и свойств керамики, таких как микрорен: геноспектральный, петрографический, рештенофазовый, термогравз метрический, химический анализы; для изучения динамики процесс< восстановления оксидов металлов в составе керамики применяли вакуумный микровесовой метод; для исследования физико - механическі характеристик керамики использовали методы определения микротве] дости, прочности при трехточечном изгибе, износостойкости при трі ний по стали и по закрепленным алмазным зернам.

Научная новизна: 1. Впервые систематически исследованы пр( цессы, происходящие при термообработке алшооксядной керамики 1 94-1 с добавками оксидов меди, никеля и бора.

2. Установлен характер взаимодействий в ходе термообработі медь- и никельсодержащей керамики, приводящих к возникновению разложению шпинелей и боратов с образованием легкоплавких стекл' образных прослоек в составе керамики.

3. Обнаружено, что кристаллизация этих прослоек (так нааыва мой стеклофаэы керамики) протекает за счет первоначальной ликв ции, инициатором которой является оксид меди (II).

4. Доказано, что оксид меди полностью входит в состав стекл фазы керамики, в то время как оксид никеля присутствует по гран цам зерен в виде шинельной прослойки, что оказывает определящ влияние на физико - механические свойства керамики.

5. На основании изучения процесса водородного восстановлен оксидов меди и никеля в составе керамики предложен новый спос создания металлокерамических композиционных материалов (керметов отличающийся тем, что выделяющийся непосредственно при синте кермета металл в мелкодисперсном состоянии оказывает особое упро няющее воздействие на керамику.

Практическая ценность. Установленные закономерности спекай керамики и восстановления в ее составе оксидов металлов могут бы использованы в целях оптимизации различных технологических проце сов получения конструкционных, триботехнических и других матері! лов.

Разработанный способ получения керамики, армированной мет= лическими частицами (кермет), рекомендован для использования л получении фрикционного материала, работающего в условиях граничк

го трения. Проводятся работы на Харьковском заводе тракторных двигателей по налаживанию серийного выпуска фрикционных дисков с применением разработанного материала для тормозных устройств машин сельскохозяйственной техники (подтверждена актом о внедрении от 3.05.94 г.). Подана заявка на изобретение ("Керамическая шихта") и получено положительное решение.

Развит научный подход к изучению уровня кристаллизации стек-лофазы, необходимый для прогнозирования надежности керамических изделий.

Разработанная методика определения шпинели в керамике используется в химической лаборатории НПО "Феррокерам" города Белая Церковь (Украина).

Апробация работы: Основные результаты работы и отдельные ее положения доложены и обсуждены на конференции "Актуальные вопросы материаловедения'.' (Львов, 1991 г.), Всесоюзной конференции "Износостойкость машин" (Брянск, 1991 г.), научных сессиях "Керамика на основе оксида алюминия" (Киев, 1993 г.), "Физико - химические аспекты армирования керамики волокнами и частицами" (Белая Церковь, 1993 г.).

Публикации. По теме диссертации имеется 3 публикации в журнале "Неорганические материалы" Российской Академии Наук. Подана заявка на изобретение N В 00 528/4/507 5.02.93, имеется положительное решение.

Положения, выносимые на защиту.

1. Процессы образования и разложения шинельных и бсратных Евз в медь- и никель содержащей алшооксидной керамике на основе ЗК 94-1 в ходе термообработки. Состав и взаимное превращение фаз в зависимости от условий синтеза.

2. Определяющее влияние стеклообразной составляющей керамики ;"стеклофазы") и характера ее кристаллизации на физико - механи-[еские свойства материала.

3. Особенности процессов водородного восстановления меди и [икеля в составе керамики и их влияние на свойства образующегося шпозициоюгого металлокерамического материала.

4. Новый способ синтеза кермета на основе алшооксидной кера-ійки о улучшенными физико - механическими свойствами.

- б -

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов и приложения. Диссертация содержит 121 страницу машинописного текста, 44 рисунка, 7 таблиц, 1 страницу в приложении и библиографический список, включающий 104 источника на русском и иностранном языках.