Огнеупорная керамика. Технология производства

СОДЕРЖАНИЕ

Введение ….………………….…………………………………………………….3
Глава 1
1.1.Керамические материалы………………………………………...5
1.2.Огнеупорность керамических материалов………………...…...6
Глава 2
2.1.Технология керамических материалов ………………………....8
2.2.Технологические аспекты синтеза керамических материалов……………………………….................................................…...10
2.3.Твердофазные реакции………………..…………………….......17
2.4.Технология важнейших керамических материалов……………………………………………………………………19
Глава 3
3.1.Конденсаторная керамика……………………………………..22
3.2.Заключение……………………………………………………..24
Список используемой литературы………………………………………...............25

Огнеупорная керамика. Технология производства

→
Предварительный
Обжиг
↓
Приготовление связки
→
Смешивание
↓
Гранулиро-вание или
Формование заготовок
↓
Спекание
Подготовка исходных компонентов. От качества исходных компонентов существенно зависят свойства керамики и их воспроизводимость, поэтому необходимо тщательно контролировать и регулировать физико-химические свойства используемых материалов. Степень пригодности этих материалов для приготовления керамики определяется их чистотой, дисперсностью, структурными характеристиками и активностью.
В качестве основных сырьевых материалов для изготовления керамических изделий электронной техники, к электрофизическим параметрам которых предъявляются невысокие требования, используются традиционные материалы (глина, полевой шпат, кремнезем, каолин и др.).
Основные исходные компоненты, предназначенные для изготовления ответственных изделий электронной техники, представляют собой химические реактивы высокой чистоты. Основные требования к сырьевым материалам – стабильность химического состава и стабильность физико-химического состояния. Последнее характеризует реакционную способность этих материалов и качественно определяется состоянием поверхности частиц, дефектностью кристаллической решетки, процентным соотношением полиморфных модификаций. От этих факторов существенно зависит скорость синтеза керамики.
Составление шихты – важнейшая операция в технологии керамики и заключается в подборе необходимого соотношения и взвешивания исходных компонентов для получения керамики заданного состава. Она в первую очередь определяет точность и воспроизводимость состава, а следовательно, и свойства изготовляемого керамического изделия.
После составления шихты производят смешивание исходных компонентов до получения однородной массы, что оказывает значительное влияние на качество продукции. Следует подчеркнуть, что получаемая путем смешивания масса кроме однородности должна иметь определенную консистенцию, удобную для формирования.
Смешивание компонентов осуществляют механическими и химическими методами.
Механический метод смешивания производят в лопастных, пропеллерных и бегунковых смесителях. Высокая степень гомогенности шихты достигается при совместном помоле компонентов смеси в помольной аппаратуре. Такое совмещение процессов смешивания и измельчения значительно упрощает технологию приготовления керамической массы и поэтому часто используется в производстве керамики. Для этих целей чаще всего используют шаровые мельницы.
Химический метод смешивания основан на совместном осаждении компонентов из жидких растворов солей. С помощью этого метода возможно получение максимально однородной композиции при минимальном размере частиц каждой из соприкасающихся фаз. Действительно, исходя из кинетики твердофазных взаимодействий скорости процессов химического взаимодействия твердых частиц, как правило, лимитируются скоростью диффузии компонентов через слой образовавшегося продукта и поэтому обратно пропорционально квадрату размеров реагирующих частиц.
Для регулирования технологических процессов производства и свойств керамики в состав массы в процессе смешивания вводят следующие добавки.
Минерализаторы (в пределах 0,05-5%)-для интенсификации процессов обжига. Химический состав вводимых минерализаторов определяется составом получаемой керамики и зависит от механизма процесса спекания. Интенсификация спекания керамики может осуществляться на основе следующих механизмов.
1. Минерализаторы своим действием могут вызывать деформацию кристаллической решетки исходных компонентов керамики, что приводит к ускорению диффузионных процессов и соответственно к интенсификации высокотемпературного синтеза.
2. Активизирующее действие некоторых добавок обусловлено образованием твердых растворов внедрения с разрыхлением и активированием решетки, сопровождаемым интенсификацией процессов спекания.
3. Минерализаторы могут являться искусственными центрами кристаллизации и способствовать выделению новых кристаллообразований.
4. При спекании керамических масс с участием между зерен прослоек жидкой фазы ряд добавок снижают вязкость жидкой фазы и тем самым увеличивают реакционную способность расплава.
Модифицирующие добавки вводят для управления электрофизическими свойствами керамики. В частности, легирование применяется при получении полупроводниковой титансодержащей керамики. Так, добавка Nb2O5 к ТiО2 приводит к появлению электронной проводимости, т.е. является донорной примесью.
Формирование или гранулирование заключается в том, что исходной порошкообразной шихте придаются форма и размеры, плотность и механическая прочность, необходимые для последующего изготовления керамического изделия.
В технологии керамики операцию гранулирования обычно используют при формировании заготовок изделий методом прессования. Негранулированные порошки исходных компонентов вследствие своей неудовлетворительной сыпучести неравномерно заполняют пресс-форму, в результате чего при последующем прессовании при любой степени уплотнения в заготовке возникают внутренние газовые полости.
В керамическом производстве применяют следующие основные методы формирования заготовок изделий:
Холодное прессование в пресс-формах
Горячее прессование
Горячее литье
Мундштучное прессование на экструзионных машинах
Изостатическое прессование
Вибрационное уплотнение
Чаще всего используется холодное прессование, оно бывает сухим и мокрым. В производстве чаще используют сухое прессование, т.е. процесс уплотнения сухого или слегка увлажненного гранулированного порошка в пресс-форме под давлением. При этом содержание влаги в порошке обычно составляет 5-12% мас. Если содержание влаги достигает ~15% мас, то прессование считают полусухим.
Процесс прессования складывается из следующих основных операций:
расчета навески и дозировки пресс-порошка;
засыпка пресс-порошка в матрицу пресс-формы;
прессование;
извлечение из пресс-формы.
Различают одностороннее и двустороннее прессование. При двустороннем прессовании обычно получают изделие с большей плотностью и более равномерным распределением плотности по объему изделия. Давление прессования, как правило, подбирают экспериментально. Для этого определяют зависимость плотности от давления прессования для сырых прессовок и спеченных изделий.
Спекание является основным этапом керамической технологии, завершающим процесс образования керамического изделия и определяющим его основные механические и электрофизические свойства. Спекание осуществляют путем нагревания (обжига) заготовки до соответствующей температуры, составляющей примерно 0,8 от температуры плавления керамического материала. При высокотемпературном обжиге в сырьевой смеси происходят многообразные физико-химические процессы, приводящие к оброзованию новых химических соединений. Образующийся в результате спекания продукт характеризуется определенной плотностью, формой и размером кристаллов, характером пористости, распределением примесей и микрокомпонентов. Совокупность этих свойств состовляет керамическую структуру материалов, которая тесно связанна с магнитными, электрическими и механическими свойствами. Для каждого керамического изделия существуют свои оптимальные режимы, подбираемые экспериментально на основе знания физико-химических закономерностей процесса спекания.
Различают два вида спекания:
1. Твердофазное спекание, характерное для масс, состоящих из одной твердой фазы.
2. Спекание с участием жидкой фазы, которое в зависимости от количества жидкой фазы подразделяется на:
жидкостное спекание, характерное для масс, имеющих сложный химический состав, при нагревании которых образуется значительное количество жидкой фазы (более 30%)
смешанное, твердожидкостное спекание, когда в процессе участвует сравнительно небольшое количество жидкой фазы (2-12%).
Разнообразие и сложность процессов, протекающих при спекании, настолько велики, что невозможно найти количественный критерий, который вполне определенно и однозначно характеризовал бы процесс спекания. Чаще всего в качестве такого критерия выбирают степень уплотнения или упрочнения образцов, однако лучшее понимание явлений достигается при применении комплекса характеристик.
Среди большого числа уравнений, описывающих кинетику уплотнения порошковых тел при спекании, в наилучшем соответствии с экспериментом в широком интервале изменений условий процесса находится феноменологическое выражение
dV / (V dτ) = -q (V/V0)m,
где V- объем пор в момент времени τ; V0 – объем пор при τ =0; q= (dV/V0d τ) имеет смысл скорости относительного сокращения объема пор в начале изотермического процесса; m- константа.
2.3.Твердофазные реакции
Фундаментальные отличия твердофазных реакций от газо- и жидкофазных заключаются в следующем7:
1. Они всегда совершаются в гетерогенных системах.
2. Осуществляются в виде существенно большего числа промежуточных состояний, энергетически мало отличающихся одно от другого.
3. Поведение атомов, молекул и ионов каждого реагента или продукта определяется не только химическими пристрастиями, но и энергетикой связи с другими частицами в пределах твердых фаз реагентов.
4. Чисто твердофазное взаимодействие сопровождается не только малым изменением энтальпии, но и энтропии. Этого следовало ожидать, учитывая высокую степень порядка в твердых фазах реагентов и продуктов по сравнению с газо- и жидкофазными (см. таблицу 2).
Таблица 1. Основные отличия твердофазных реакций от гомофазных реакций в растворах и газах
Жидкофазные или
газофазные реакции
Твердофазные реакции
Гомогенные системы
Гетерогенные системы
Появление и/или исчезновение
молекул, ионов, радикалов
Появление и/или исчезновение фаз
Ограниченное число промежуточных стадий взаимодействия
Большое число промежуточных стадий взаимодействия
Другой характерной особенностью твердофазных реакций является их топохимический характер, т. е. локализация реакционной зоны на поверхности раздела фаз реагентов и продуктов.
Важнейшие типы твердофазных реакций можно выделить уравнениями:
Т1=>T2 (1)
T1 + T2=>T3 (2)
T1 + T2=>T3 + T4 (3)
Ti- твердофазный реагент или продукт.
Типичным примером реакций типа (1) являются полиморфные превращения простых и сложных веществ, широко используемые при создании неорганических материалов.
Реакции типа (2) широко используются для синтеза многочисленных функциональных материалов. Большое значение имеют и реакции, обратные реакции (2) и связанные с распадом твердых растворов, синтезированных при высоких температурах, а затем обжигаемых при умеренных температурах нагрева.
Наконец, реакции типа (3) оказываются исключительно важными при эксплуатации композитов или гетероструктур.
Согласно теории Вагнера, развитой позднее в работах Г.Шмальцрида, взаимодействие твердых фаз складывается из диффузионных процессов на границе фаз.
Основные положения этой теории:
1. Скорость реакции лимитируется диффузией ионов через слой образующегося продукта.
2. Слой продукта реакции является компактным и содержащиеся в нем неравновесные дефекты (дислокации границы зерен), как правило, не вносит определяющего вклада в подвижность ионов.
3. Реакции на границе фаз протекают значительно быстрее, чем процессы диффузии через слой продукта, и поэтому на границах фаз устанавливается локальное термодинамическое равновесие.
4. Отдельные ионы движутся в реакционном слое независимо друг от друга, в любом поперечном сечении продукта сохраняется условие электронейтральности.
2.4. Технология важнейших керамических материалов