Никоноров П. (сост.) Материалы в Приборостроении и автоматике (1021457), страница 4

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 4)

Керамика чистых окислов изготовляется из тонкодисперсиых порошков чистых высокотемпературных специально синтезированных окислов алюминия, циркония, бериллия, магния, кальция, тория, урана, церия. Такая керамика однокомпонентна и состоит почти из кристаллической фазы и поэтому отличается высокой степенью плот­ности (почти нулевая пористость) и теплопроводности, высокой тем­пературой плавления, термической и химической стойкостью, жест­костью.

Термические свойства керамики определяются: температурой плавления t_Пп= 2000...3300°С и рабочей температурой t_peб =(0,8.., 0,9) t_Пп, температурными коэффициентами линейного расширения ТКЛ(8,5...13,8)10^-6K, которые с повышением температуры увеличиваются, удельной теплоемкостью "С" и коэффициентом тепло­проводности (с= 0,042... ...0,120 Дж/кгК, λ = (1,24.. .2,56) Вт/(мК); электропроводностью, которая невелика и у большинства окислов удельное объемное сопротивление при 1000°С около 10⁴ Омм (исключение составляет U0₂ с электросопротивлением I0³ Ом.м) и оно снижается при повышении температуры; химические свойства: как правило большинство окисных керамик имеют высокую кислото- и щелочестойкость (однако спеченные BеО , MgO и СаО растворяют­ся в кислотах), при повышении температуры теряется масса (испа­ряется) керамических материалов; стойкость к ионизирующим излу­чениям - сильное действие на окисные керамики оказывают быстрые нейтроны при интегральном потоке 10²⁰ нейтрон/см² и выше, β- и λ- излучения действуют значительно меньше, в результате этих воздействий уменьшается плотность и увеличивается объем, умень­шаются механическая прочность, тепло и электропроводность, изменяются оптические свойства, изменение свойств окисной керамики в результате облучения полностью устраняется отжигом; механические свойства керамики определяют предел прочности при сжатии и изгибе, обычно σ_ИЗ ≈ (1/3... 1/2)σ_СЖ, а σ_В≈(I/5... I/I5) σ_сж, σ_СЖ ≈ (10...3000) МПа. Керамика хрупкий материал, прочность керамики снижается при повышении пористости и температуры, коэффи­циент Пуассона 0,25...0,35, модули сдвига G = 0,4Е и упругости Е = (382...140) ГПа.

В производстве изделий наиболее широко применяют следующие виды окисной керамики: корундовая (с кристаллической модификацией α-A₂O₃) керамика используемая в электротехнических, электрова­куумных, электронных изделиях и других случаях; двуокись циркония ZrO₂, применяемая как тугоплавкий материал (2500°С) для тиглей при плавке тугоплавких веществ и др.; окись бериллия BеО бла­годаря высокой теплопроводности и теплостойкости, легкости и вакуумплотности наилучшим образом отвечает современным требованиям электронной техники.

Бескислородная керамика представляет собой керамику высшей огнеупорности, твердости и износостойкости; у некоторых видов t_nn ≈ 4000°C, твердость близка к твердости алмаза. Соединения ме­таллов переходных групп с металлоидами (С,М,Si, В) обла­дают металлическими свойствами и называют металлоподобными, сое­динения двух металлоидов, имеющие свойства неметаллических мате­риалов, называют неметаллическими (карбид кремния, нитрид бора и др.). Металлоподобные бескилородные соединения (нитриды, многие карбиды и некоторые бориды переходных металлов) имеют кристалли­ческую структуру с внедренными атомами металлоидов в кубическую или гексагональную решетку. Структуры неметаллических соединений (боридов и силицидов переходных металлов), некоторых карбидов (SiC ) и нитридов являются сложными слоистыми и цепочечными. Керамики этого типа - неметаллические и обладают или металличес­кой проводимостью (бориды) или полупроводниковыми свойствами ( SiC , CrSi₂ и др.), чаще высоким электросопротивлением. Сопротивление окислению при высоких температурах у бескислородных керамик выше, чем у соответствующих металлов. Прочностные свойства бескислородных керамик изучены недостаточно, их испытывают в основном на сжатие и изгиб, для некоторых из них σ_В=(0,4...0,6)σ_ИЗ. Карбиды отличаются наивысшими температурами плавления (до 1890...3890°С) и твердости среди бескислородных керамик.

Наибольшее значения в промышленности получили карбиды кремния, титана, бора. Карбид кремния SiС (карборунд) с жаростойкостью 1500..1600°С применяют в высокотемпературных процессах для изго­товления нелинейных электросопротивлений, печей и др. Благодаря высокой твердости карборунд применяют в качестве абразива. Проч­ность карборунда составляет (I...I,4) ГПа. Карбид бора ( t_nn = 2470°С, α = 4,510^-6К σ_В ^-1 при 25-2000°С, Е = 450 ГПа, твердость близка к твердости алмаза) используют в виде порошка для шлифо­вания и полирования стальных инструментов и для доводки инстру­ментов из твердого сплава. Бориды имеют высокие твердость, темпе­ратуру плавления (3250°С у ЦрВ₂. , 2200°С у CrB₂), термостой­кость и более высокую температуру начала окисления по сравнению с карбидами и нитридами. Распространено применение диборидов ту­гоплавких металлов, например диборид циркония легированный диcицилидом молибдена обладает высоким сопротивлением окислению (≤ 1980°С) и отличной стойкостью к термоударам из-за низкого температурного коэффициента объемного расширения, имеет сравни­тельно высокую электропроводность ρ_v =(I2...57).10^-4Омм. Нитриды имеют температуру плавления от 600 (Mo₂N) до 3205°С (у TiN ). Нитрид бора (BN) термостоек благодаря высокой тепло­проводности, химически стоек в нейтральной и восстановительной атмосфере, перспективен в качестве материала для бортовой элект­ронной аппаратуры, а при I400-I500°C,давлении в десятки гигапаскалей в присутствии катализатора может быть приведен в алмазопо-добную кубическую структуру с температурой плавления 3000°С -эльбор, при твердости алмаза эльбор обладает в 2 раза большей теп­лоемкостью и стоек к окислению до 1900-2000°С (у алмаза окисле­ние начинается при ≈ 800°С). Силициды (с температурой плавления от 1500°C у CrSi₂ до 2200°С у Т_АSi₂) по ряду физико-химических свойств подобны карбидам и боридам, но отличаются от них полупро­водниковыми свойствами, важнейшее их свойство, как и других кремнийсодержащих бескислородных керамик, жаростойкость (рабочая тем­пература до 1300...1700°С); известны следующие соединения МoSi₂ и MoS₂. Дисищлид молибдена имеет сложную структуру, состоящую из двух слоев атомов кремния и одного слоя молибдена, имеет низ­кое электросопротивление, из-за малого коэффициента трения его применяют в качестве сухой смазки, при температуре 1700°С рабо­тает несколько тысяч часов в качестве стабильного электронагрева­теля. Дисульфид молибдена обладает высокими антифрикционными свойствами (применяют и как сухую вакуумстойкую смазку, интервал рабочих температур на воздухе - 15О...425°С, ввакууме < 1100°С и в среде инертных газов < 1540°С, немагнитен, электропроводен, стоек к ядерной радиации, водостоек, стоек к инертным маслам, кислотам и металлическим поверхностям и растворяется только в крепких НСl,HNO₃ и царской водке; начинает окисляться при + 4ОО...427°С. Слоистая структура MoS₂ обеспечивает хорошую его адгезию к поверхности металла, наименьший по сравнению с дру­гими смазками коэффициент трения (0,032) и отсутствие схватывания даже однородных металлов.

Электротехническая керамика под­разделяется на две основные группы: установочную и конденсаторную.

Установочную керамику используют для изготовления плат, па­нелей, каркасов катушек, изоляторов и др. К большинству этих из­делий предъявляют требования: малые диэлектрические потери, высо­кое напряжение пробоя, нагрево-, морозо-, влагостойкость и ме­ханическая прочность. Материалы с высокой температурной стабиль­ностью диэлектрической проницаемости можно получать комбинацией веществ с положительным и отрицательным температурными коэффици­ентами. Применяемые в производстве виды установочной керамики: электрофарфор (30% каолина-белой глины, 20% огнеупорной глины, 25% кварцевого песка, 25% полевого шпата), радиофорфор, корунд-мйуллитовая керамика, цельзиановая керамика, ультрафорфор, алюминоксид, стеатиты. Недостатками электрофарфора (большие диэлектри­ческие потери, возрастающие с повышением температуры, малая проч­ность на изгиб) не обладают другие вышеназванные установочные керамики. Керамику изготовляют плотной или пористой.

Кондесаторная керамика. Эта керамика должна обеспечивать возможно более высокое значение диэлектрической проницаемости, что позволяет снизить габариты конденсаторов и уменьшить их массу. Конденсаторная керамика может иметь температурный коэффициент диэлектрической проницаемости изменяющейся в широких пределах от положительных до отрицательных значений. К конденсаторной ке­рамике предъявляют следующие требования: нагрево-, морозо- и вла­гостойкость; отсутствие старения; высокая прочность и надежность контакта металлических обкладок (слоев серебра) с диэлектриком; малые диэлектрические потери; возможность легкого формирования изделий различной сложности формы; возможность подбора заданного температурного коэффициента емкости. Основой большинства видов конденсаторной керамики является двуокись титана TiO₂ . Конденсаторную керамику подразделяют на четыре класса. К первому классу относят керамику с большей диэлектрической проницаемостью ( ε= 65...1905, большим отрицательным температурным коэффици­ентом емкости ( α_Σ = -(700... 1300) 10^-6 К^-1, малыми диэлек­трическими потерями ( tgδ = 6.10^-11 ); керамика этого класса со­держит большое количество ε. Керамика второго класса со­держит более низкие значения α_Σ и ε. Основу этой керами­ки составляют ε с добавками ZrO₂, MgQ или оловинат кальция СaSnО₃. Керамические материалы третьего класса сос­тавлены на основе титаната никеля NiTiO₃. у керамических мате­риалов этих классов типа сегнетоэлектриков особенно высоки зна­чения диэлектрической проницаемости (ε= 10³...10⁵). Основное свойство сегнетоэлектриков - спонтанная поляризация, которая под действием внешнего электрического поля становится направленной, проявляющаяся только в определенном интервале температур и при превышении максимальной температуры спонтанная поляризация исчеза­ет, а диэлектрическая проницаемость становится наибольшей. Близ­кими к сегнетодиэлектрикам являются пироэлектрики, представляю­щие собой диэлектрики, поляризованность которых возникает и ме­няется при равномерном нагреве и охлаждении. Некоторые сегнето­электрики обладают пьезоэлектрическими свойствами (материалы, по­ляризованность которых возникает и меняется при механическом воз­действии на них). Сегнетоэлектрики применяют для конденсаторов большой емкости, пьезоэлектрических преобразований в микрофонах, звукоснимателях, излучателях, приемниках ультразвука, датчиках давления и вибрации, диэлектрических усилителях, модуляторах и других устройствах с большой нелинейной поляризацией, счетно-ре­шающих машинах. К четвертому классу относят диэлектрики, длитель­ное время сохраняющие поляризацию и создающие остаточное электри­ческое поле после снятия внешнего электрического поля - электреты. Электреты - это аналоги постоянных магнитов. В настоящее время распространены электреты на основе Са Ti0₃. Электреты можно использовать для как основной элемент в генераторах переменного тока, дозиметрах радиации, измерителях давления воздуха и влаж­ности, пылеуловителях, электрометрах без источника напряжения и др.

2.4.3. Стекло и ситаллы. Неорганическое стекл о представляет собой особого вида затвердевший раствор -сложный сплав высокой вязкости кислотных и щелочных окислов. В состав стекол входят стеклообразующие окислы кремния, бора, фос­фора, германия, мышьяка, натрия, калия, лития, кальция, магния, бария, алюминия, железа, титана, бериллия и др.

В зависимости от химической природы стеклообразующего веще­ства стекла делят на силикатные (SiO₂), алюмосиликатные (Al₂O₃- SiO₂), алюмоборосиликатные (Al₂O₃-B₂O₅ -SiO₂), алюмофосфатные (Al₂O₃-P₂O₅) и др. По содержанию модифицирую­щих веществ стекла бывают щелочными (содержащими окислы NaO₂, KO₂), бесщелочными и кварцевыми. По назначению стекла подразделяют на технические (оптическое, светотехническое, приборное и др.), стро­ительное и бытовое.

Техническое стекло чаще всего относится к алюмоборосиликатной группе и отличается разнообразием входящих в него окислов. Промышленность выпускает стекло в виде готовых изделий, заготовок или отдельных деталей.

При нагревании стекло размягчается в некотором температурном интервале (у промышленных силикатных стекол 425...800°С), который зависит от состава стекол, а затем плавится. При температуре выше верхней точки температуры размягчения выполняют все технологичес­кие процессы переработки стекломассы в изделия.

Механические свойства: высокое сопротивление сжатию σ_СЖ= 500-2000 МПа, низкий предел прочности при растяжении и изгибе σ_В ⁼ 30...90 МПа, коэффициент Пуассона ≈ 0,18...0,26, твердость по шкале Мооса 5-7 единиц (за 10 единиц принята твер­дость алмаза). Стекла бесщелочные и кварцевые имеют более высокие механические характеристики. Стекла светопрозрачны, пропускают до 92% видимого света, коэффициент преломления 1,44...1,806 (в зависимости от марки стекла), кварцевые стекла пропускают электро­магнитные волны оптического спектра от ультрафиолетовых до инфра­красных лучей. Температурный коэффициент линейного расширения (5,6...90)10^-7К , коэффициент теплопроводности 0,7...1,5 Вт(мК), термостойкость 9О...17О°С, у кварцевого стекла 8ОО..1ООО°С.

Химическая стойкость стекол зависит от образующих компонентов: SiQ₂, ZкO₂, TiQ₂, B₂О₃, Al₂O₃, CaO, MgO обеспечивают вы­сокую химическую стойкость, a Na₂O,KO₂, BaO, PbO споcобствуют химической коррозии стекла.

Характеристики

Список файлов книги