книги / Новые композиционные и керамические материалы
..pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский государственный технический университет»
В.А. Жиляев, М.Н. Каченюк,
В.Б. Кульметьева, С.Е. Порозова
НОВЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ
И КЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Издательство Пермского государственного технического университета
2010
УДК 620
Н74
Рецензенты:
д-р техн. наук, профессор Л.В. Спивак (Пермский государственный университет);
д-р техн. наук, профессор А.М. Ханов (Пермский государственный технический университет)
Н74 Новые композиционные и керамические материалы: учеб. пособие / В.А. Жиляев, М.Н. Каченюк, В.Б. Кульметьева, С.Е. Порозова. – Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2010. – 114 с.
ISBN 978-5-398-00508-0
Рассмотрены методы получения, физико-механические, химические свойства и области применения бескислородных керамических материалов: карбосилицида титана, карбида титана и карбида кремния.
Для карбосилицида титана подробно описаны механизмы сдерживания распространения микротрещин, представлены механические свойства при различных температурах. Приведены характерные реакции взаимодействия керамических материалов с металлическими расплавами. Представлены наиболее распространенные случаи применения компактных и пористых материалов на основе карбида кремния.
Предназначено для студентов, обучающихся по направлению 210600 «Нанотехнология» и по магистерской программе 550512 «Порошковая металлургия, композиционные материалы, покрытия». Может быть полезно для студентов и аспирантов других инженерных специальностей.
|
УДК 620 |
ISBN 978-5-398-00508-0 |
© ГОУ ВПО |
|
«Пермский государственный |
|
технический университет», 2010 |
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................................................................. |
7 |
ГЛАВА 1. КАРБОСИЛИЦИД ТИТАНА ........................................................................................................... |
9 |
1.1. Структура карбосилицида титана...................................................................................................................... |
10 |
1.2. Свойства карбосилицида титана ......................................................................................................................... |
12 |
1.2.1. Физические свойства карбосилицида титана Ti3SiC2........................................................................... |
13 |
1.2.2. Механические свойства карбосилицида титана Ti3SiC2..................................................................... |
17 |
1.3 Методы получения композиционных материалов на основе карбосилицида титана.................... |
26 |
1.3.1. Метод СВС-компактирования при безгазовом горении.................................................................... |
26 |
1.3.2. Метод химического осаждения из газовой фазы, CVD-метод ......................................................... |
27 |
1.4. Применение карбосилицида титана ................................................................................................................... |
31 |
ГЛАВА 2. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ТВЕРДОФАЗНЫХ РЕАКЦИЙ С УЧАСТИЕМ |
|
ТУГОПЛАВКИХ ФАЗ ВНЕДРЕНИЯ (ТФВ) ............................................................................................ |
33 |
2.1. Реакции ТФВ с переходными металлами IV, V групп..................................................................................... |
34 |
2.1.1. Механизм взаимодействия и характер первичного продукта реакции ..................................... |
35 |
2.1.2. Корреляция реакционной способности ТВФ |
|
со степенью их ионности......................................................................................................................................... |
41 |
2.2. Кинетика и механизм взаимодействия ТВФ с никелем .............................................................................. |
44 |
4
2.2.1. Закономерности проявления фазовой нестабильности ТФВ |
|
в смесях с никелем........................................................................................................................................................ |
45 |
2.2.2. Особенности взаимодействия трехкомпонентных ТФВ |
|
с никелем.......................................................................................................................................................................... |
53 |
2.3. Реакции ТФВ с оксидами переходных металлов............................................................................................... |
55 |
2.3.1. Корреляция реакционной способности ТФВ с активностью компонентов, |
|
входящих в их состав ................................................................................................................................................. |
55 |
2.3.2. Особенности реакций ТФВ с одноименными оксидами.................................................................... |
60 |
2.3.3. Механизм образования твердых растворов в системе TiC – TiO................................................. |
62 |
2.4. Реакции ТФВ с углеродом.......................................................................................................................................... |
67 |
2.5. Взаимосвязь состава, структуры и свойств ТФВ |
|
с их природой и электронным строением............................................................................................................... |
69 |
2.6. Выводы............................................................................................................................................................................. |
75 |
ГЛАВА 3. КАРБИД КРЕМНИЯ........................................................................................................................ |
78 |
3.1. Получение и свойства порошка карбида кремния.......................................................................................... |
78 |
3.2. Конструкционная керамика на основе карбида кремния ............................................................................ |
81 |
3.3. Керамические нагревательные элементы сопротивления ........................................................................ |
88 |
3.4. Керамические пористые материалы .................................................................................................................. |
90 |
3.4.1. Использование волокнистых материалов для получения пористых материалов................. |
94 |
3.4.2. Метод дублирования полимерной матрицы ........................................................................................ |
94 |
3.4.3. Особенности спекания ВПЯМ ..................................................................................................................... |
98 |
3.4.4. Применение высокопористых керамических материалов............................................................. |
101 |
3.5. Высокопористые ячеистые материалы на основе реакционноспеченного карбида кремния.... |
101 |
5
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................................................................................................................... |
110 |
6
ВВЕДЕНИЕ
Интерес, к тугоплавким бескислородным соединениям на основе карбидов вызван их уникальными свойствами. Сочетание высокой твердости, термо- и химической стойкости с электропроводностью позволяет использовать тугоплавкие соединения на основе карбидов как эффективную замену жаростойким металлическим сплавам, имеющим существенно меньшие рабочие температуры. Недостатком бинарных карбидов является высокая хрупкость, наличие которой сокращает диапазон возможных применений. Сказанное не относится к карбосилициду титана (Ti3SiC2), который благодаря слоистой структуре способен сдерживать распространение трещин. Высокое отношение жесткости к твердости у карбосилицида титана ближе к свойствам пластичных металлов, чем керамики, что позволило охарактеризовать данный материал как «пластичную» керамику.
Значительное внимание уделено описанию механизма образования тугоплавких фаз внедрения (ТФВ). На многочисленных примерах показано, что совокупность стуктурных, физикомеханических, теплофизических и термодинамических свойств ТФВ может быть непротиворечиво описана только в рамках представления о твердорастворной природе этого класса веществ и, следовательно, определяющей роли в них сильных металлических связей.
Представленная информация дает возможность познакомиться не только с методами получения керамических материалов и их свойствами, но и позволяет сделать выбор в пользу того или иного материала для конкретных условий эксплуатации. Пособие знакомит студентов-материаловедов с современными разработками в области тугоплавких материалов и позволяет наметить пути создания новых наноструктурированных материалов с высокими жаро- и химической стойкостью, прочностью и электропроводностью.
7
8
ГЛАВА 1. КАРБОСИЛИЦИД ТИТАНА
Используемые металлические композиционные материалы исчерпали свои возможности в повышении рабочих температур. Композиционные материалы со слоистой структурой к настоящему моменту являются наиболее приемлемой альтернативой высокотемпературным металлическим сплавам. Одним из таких материалов является карбосилицид титана Ti3SiC2, обладающий одновременно свойствами керамики и металла, т.е. комплексом полезных физико-механических, химических свойств, какой невозможно получить в обычных сплавах.
Первое указание на необычные свойства Ti3SiC2 появилось еще в 1972 году, когда Никл и др., исследуя монокристаллы, полученные методом химического осаждения из газовой фазы, обнаружили, что Ti3SiC2 аномально мягок для карбида [1]. Пампуч, Лис и другие ближе всего подошли к изготовлению чистых массивных образцов; наилучшие из полученных ими образцов содержали ≈ 80–90 об. % целевого компонента (остальное – TiC) [2]. На этих образцах они впервые показали, что Ti3SiC2 обладает очень высокой жесткостью в пределах упругих деформаций, но, несмотря на это, хорошо поддается механической обработке. Они также подтвердили его сравнительную мягкость (твердость по Виккерсу 6 ГПа) и отметили, что высокое отношение жесткости к твердости было ближе к свойствам пластичных металлов, чем керамики. Они же охарактеризовали данный материал как «пластичную» керамику.
9
1.1. Структура карбосилицида титана
Карбосилицид титана Ti3SiC2 является одним из плотных тугоплавких материалов с высокой прочностью, износостойкостью при повышенных температурах. Он относится к семейству тернарных соединений со слоистой структурой с общей формулой MN+1AXN, где N = 1, 2 или 3, М – легкий переходный металл, А – элемент главной подгруппы (в большинстве случаев IIIA и IVA), а Х – это углерод или азот.
Элементарная ячейка карбосилицида титана (рис. 1) состоит из двух формульных единиц Ti3SiC2 (параметры решетки: a = 3,0665 Ǻ, c = 17,671 Ǻ, теоретическая плотность 4,52 г/см3). Плотноупакованные слои атомов Ti чередуются со слоями атомов чистого Si, а атомы C занимают октаэдрические междоузлия между атомами Ti. Атомы кремния располагаются в центрах треугольных призм, которые крупнее октаэдрических междоузлий и поэтому легче вмещают сравнительно крупные атомы Si. Октаэдры Ti6C имеют общие ребра и идентичны тем, которые присутствуют в структуре типа NaCl соответствующих бинарных карбидов. На рис. 1, справа, показан срез в плоскости (110) через шестиугольную ячейку. Атомы титана и кремния формируют завершенные плотноупакованные слои с последовательностью укладки hhhc, где вторая h соответствует атому кремния.
10