О деталях из оксидов алюминия и циркония

В чём разница?

Разница между Диоксидом циркония и Оксидом алюминия

Ключевое различие между Диоксидом циркония и Оксидом алюминия состоит в том, что Диоксид циркония находится в моноклинной кристаллической структуре, в то время как Оксид алюминия имеет тригональную кристаллическую структуру.

Диоксид циркония и Оксид алюминия являются неорганическими соединениями, они также являются оксидными соединениями. Оба эти соединения находятся в твердом кристаллическом состоянии при стандартных температуре и давлении.

Содержание

  1. Обзор и основные отличия
  2. Что такое Диоксид циркония
  3. Что такое Оксид алюминия
  4. В чем разница между Диоксидом циркония и Оксидом алюминия
  5. Заключение

Что такое Диоксид циркония?

Цирконий представляет собой неорганическое оксидное соединение, имеющее химическую формулу ZrO2. Его химическое название — оксид циркония, в молекуле он имеет два атома кислорода на один атом циркония. Он выглядит как белое кристаллическое твердое вещество, имеющее моноклинную кристаллическую структуру. Тем не менее, производят кубический структурированный диоксид циркония с разными цветами для использования в качестве драгоценных камней. П роизводят Диоксид циркония путем обжига соединений циркония, используя его свойство высокой термостойкости.

Более того, это соединение может встречаться в трех основных кристаллических структурах при разных температурах: моноклинной, тетрагональной и кубической. Однако наиболее устойчивой и встречающейся в природе формой является моноклинная структура. Химически это соединение нереактивно, но сильные кислоты, такие как HF (плавиковая кислота или фтороводородная кислота) и H2SO4, могут медленно растворять его. Кроме того, если мы нагреем это соединение с углеродом, оно превращается в карбид циркония, а если есть и хорин, то образует тетрахлорид циркония. Эта реакция является основой для очистки металлического циркония.

Используют диоксид циркония, в основном при производстве керамики, в качестве огнеупорного материала, в качестве изолятора, в качестве абразивов и эмалей и т.д. Кроме того, его высокая ионная проводимость делает его полезным в качестве электрокерамического материала.

Что такое Оксид алюминия?

Оксид алюминия представляет собой неорганическое оксидное соединение, имеющее химическую формулу Al2O3. Это самый стабильный и встречающийся в природе оксид алюминия. Обычно мы называют глиноземом. Естественно, это соединение встречается в кристаллической, альфа-полиморфной фазе. Он имеет вид твердого вещества, его кристаллическая структура является тригональной. Кроме того, корунд является естественной формой оксида алюминия.

Оксид алюминия является отличным электрическим изолятором, нерастворимым в воде, устойчивым к атмосферным воздействиям и защищает поверхность металлического алюминия от дальнейшего окисления. Более того, это амфотерное вещество. Это означает, что он может реагировать как с кислотами, так и с основаниями, подвергаясь нейтрализующим реакциям с образованием соли и воды.

Существует много применений Оксида алюминия:

  • Как огнеупорный материал
  • Для производства керамики и абразивов
  • В качестве наполнителя для пластмасс
  • В качестве ингредиента в стекле
  • Для удаления воды из газовых потоков
  • В качестве катализатора многих реакций органического синтеза
  • Как компонент в красках и т.д.

В чем разница между Диоксидом циркония и Оксидом алюминия?

В первую очередь, Диоксид циркония представляет собой неорганическое оксидное соединение, имеющее химическую формулу ZrO2, тогда как Оксид алюминия представляет собой неорганическое оксидное соединение, имеющее химическую формулу Al2O3. Но, прежде всего, ключевое различие между Диоксидом циркония и Оксидом алюминия состоит в том, что Диоксид циркония имеет моноклинную кристаллическую структуру, тогда как Оксид алюминия имеет тригональную кристаллическую структуру.

Кроме того, Диоксид циркония является слегка основным, поскольку он медленно реагирует с сильными кислотами, такими как HF и серная кислота, однако Оксид алюминия является амфотерным, и он может реагировать как с кислотами, так и с основаниями с образованием соли и воды. Также еще одним отличием Диоксида циркония от Оксида алюминия является их реакционная способность. Химически Диоксид циркония является нереакционноспособным, а Оксид алюминия — реакционноспособным.

Заключение — Диоксид циркония против Оксида алюминия

Диоксид циркония представляет собой неорганическое оксидное соединение, имеющее химическую формулу ZrO2, тогда как Оксид алюминия представляет собой неорганическое оксидное соединение, имеющее химическую формулу Al2O3. Ключевое различие между Диоксидом циркония и Оксидом алюминия заключается в том, что Диоксид циркония имеет моноклинную кристаллическую структуру, тогда как Оксид алюминия имеет тригональную кристаллическую структуру.

О деталях из оксидов алюминия и циркония

Изобретение относится к области производства керамических конструкционных и функциональных материалов. Указанные материалы представляют большой интерес для машиностроения, электротехники, оптики, медицинской, бумажной промышленности и других отраслей.

Композитная керамика на основе оксида алюминия (Al2O3) и диоксида циркония (ZrO2) является в настоящее время одной из наиболее востребованных, так как обладает отличными механическими свойствами, имеет высокую химическую и термическую стабильность.

К настоящему времени разработаны способы изготовления алюмоциркониевой керамики путем химического синтеза, с применением теплофизической и механической обработки. Химический синтез использует простые, прямые химические реакции получения порошков, химический состав, который близок к конечному продукту, но окончательный состав достигается только после термообработки. Так, химический синтез оксидных нанопорошков может быть реализован с помощью осаждения гидроксидов, посредством гидролиза металлорганических соединений или гидротермальной обработкой растворов.

Среди химических способов получения алюмоциркониевой керамики нашли применение:

– соосаждение гидроксидов из водных растворов хлоридов ZrCl3 и AlCl3 гидразином (NH2)2·H2O с последующей сушкой осадков, таблетированием и спеканием (K. Ishida, K. Hirota, O. Yamaguchi. Formation of Zirconia Solid Solutions Containing Aluma Prepared by New Preparation Method // J. Am. Ceram. Soc. 1994, V.77, N.5, P.1391-1395).

– золь-гель способ (в частности, метод Печини). По этому способу в качестве исходных используются гидратированные хлориды алюминия, циркония и иттрия, к которым добавляются органические компоненты. Образующийся золь последовательно подвергается термической обработке, уплотняется горячим прессованием и спекается (Y-M. Kong, Н-Е Kim, H-W. Kim. Production of Aluminium – Zirconium Oxide Hybridized Nanopowder and Its Nanocomposite. // J. Am. Ceram. Soc. 2007, V.90, P.298-302).

Однако большинство химических способов не применимы в промышленных масштабах, поскольку создают огромные объемы отходных продуктов (растворов), слишком трудоемки и дороги, или приводят к продукции с неудовлетворительными свойствами вследствие образования из частиц относительно крупных агломератов.

Важными способами изготовления наноструктурных оксидных керамических порошков являются теплофизические способы, которые основываются на применении тепловой энергии к твердым, жидким или газообразным соединениям, из которых затем образуются нанокристаллические частицы. При этом термическая активация может происходить, например, посредством сгорания в пламени, испарения плазмы, лазерного испарения, микроволн, струйного пиролиза или схожего способа. Недостатки теплофизических способов заключаются в многостадийности и технической сложности процессов, требующие применения оборудования разного назначения и, как следствие, больших затрат.

Путем использования теплофизической обработки реализован синтез нанокомпозита на базе плотной 3-моль-иттрий-стабилизированной тетрагональной модификации диоксида циркония и оксида алюминия. Применен комбинированный способ, включающий очень быстрый нагрев смеси и спекание в высокотемпературной плазме в течение 3 мин и последующее высокоэнергетическое измельчение в мельнице Spex 8000. Максимально достигнутая прочность составляет 4,45 ГПа при содержании оксида алюминия 98% (G-D. Zhan, J. Kuntz. A Novel processing Route to Develop a Dense Nanocrystalline Alumina Matrix ( 1/2 .

Недостатками данного способа получения керамического композитного материала являются многооперационность и длительность всего процесса получения керамического материала, что приводит к высоким затратам. Кроме того, недостаточное значение максимально достигнутого коэффициента трещиностойкости. Снижение физико-механических характеристик происходит из-за роста зерен керамического композита, которые образуются в результате длительной термообработки (обжиг, горячее прессование).

Задача, решаемая заявляемым способом, заключается в упрощении технологии, снижении затрат на производство алюмоциркониевой керамики и получение керамики с повышенным коэффициентом трещиностойкости.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в заявляемом способе получения керамического композитного материала на основе оксидов алюминия и циркония, заключающемся в подготовке диоксида циркония и его стабилизатора, которая включает в себя стабилизацию в тетрагональной фазе диоксида циркония механическим способом, при этом в качестве стабилизатора используют соединения редкоземельных элементов, последующем мокром измельчении, смешивании всех компонентов с добавлением органического связующего и приготовлении пресс-порошка, затем формовании изделий и их обжиге, стабилизацию диоксида циркония в тетрагональной фазе выполняют следующим образом: смешивают в активаторе соль циркония и стабилизатор, в качестве которого используют соль редкоземельного элемента, причем для определения количества стабилизатора соли циркония и редкоземельного элемента пересчитывают на соответствующие оксиды, при этом содержание оксида редкоземельного элемента составляет 3-10 мол.% от содержания диоксида циркония, затем полученную смесь термообрабатывают при температуре 500-600°C в течение 1-3 часов до получения стабилизированного в тетрагональной фазе диоксида циркония, далее в активаторе по отдельности измельчают полученный стабилизированный диоксид циркония и оксид алюминия с добавкой карбоната магния, а затем их смешивают, кроме того, формование изделий производят методом осевого прессования, а обжиг проводят при температуре 1550-1600°C в течение 1-3 часов. Измельчение и смешивание всех компонентов может выполняться в высокоскоростном активаторе при ускорении мелющих тел не менее 10 g. Мокрое измельчение смеси оксида алюминия и карбоната магния может проводиться до размера частиц менее 100 нм. В измельченную таким образом смесь может быть введен стабилизированный диоксид циркония, смесь затем совместно еще измельчают не менее 5 мин, добавляют связующее и при приготовлении гранулята смесь сушат на воздухе не менее 12 часов при температуре не менее 120°C. Смесь после измельчения просеивают через сито 150-250 меш. Осевое прессование осуществляют при давлении 190-300 МПа.

Использование в приготовлении стабилизированного диоксида циркония солей циркония и солей стабилизатора из ряда нитратов, карбонатов, оксалатов, ацетатов, оксикарбонатов, оксинитратов, циркония и редкоземельного элемента позволяет активизировать процесс стабилизации за счет реакции обмена в условиях предварительной механоактивации с ускорением не менее 10 g и последующей термообработки до получения твердого раствора оксида стабилизатора в диоксиде циркония. В результате этой реакции частицы стабилизированного в тетрагональной фазе диоксида циркония имеют величину менее 100 нм, однако после термообработки находятся в агломерированном состоянии. Относительно невысокая температура термообработки в 500-600°C создает мягкие агломераты, поэтому последующее измельчение твердого раствора легко разрушает эти агломераты до отдельных наночастиц.

Размер частиц диоксида циркония в прототипе варьируется в диапазоне 0,1-0,5 мкм. Более мелкий размер частиц частично стабилизированного диоксида циркония, который получается в результате разложения солей при термообработке, по сравнению с прототипом, в котором используются оксиды, обеспечивает повышение поверхностной энергии и, как следствие, снижение температуры спекания керамики, что ведет к снижению энергозатрат на обжиг изделий. Кроме того, более мелкодисперсные (0,002-0,1 мкм) частицы диоксида циркония более равномерно распределяются в алюмооксидной матрице, что приводит к повышению физико-механических свойств керамики после обжига. Использование при получении стабилизированного диоксида циркония солей, а не оксидных соединений, и высокоскоростного активатора позволяет сократить время получения мелкодисперсных частиц и избежать намола мелющих тел в шихту, что неизбежно в процессе длительного помола в шаровой мельнице.

Использование солей при получении стабилизированного диоксида циркония золь-гель методом и методом соосаждения предусматривает использование растворимых в воде или органическом растворителе солей, работа с которыми является более трудоемкой и дорогостоящей, а при термообработке веществ, образующихся при смешивании исходных солей, выделяются вредные соединения, в частности хлор. Предложенный способ, использующий твердофазные реакции обмена между солью циркония и стабилизатором, позволяет избежать приготовления специальных растворов, введения дополнительных компонентов, например гидразина, при использовании метода соосаждения. Выход конечного продукта в рассматриваемом изобретении выше вследствие меньшего количества используемых при твердофазном синтезе компонентов и технологических операций, необходимых для удаления воды и органических компонентов.

Добавка оксида магния в компонент из оксида алюминия также приводит к повышению трещиностойкости за счет снижения роста зерен оксида алюминия в процессе обжига керамики. При обжиге приготовленной таким образом мелкозернистой шихты образуется более мелкозернистая структура керамики с повышенным коэффициентом трещиностойкости. Кроме того, в составе шихты отсутствует третья фаза, дисперсоид, и соответственно необходимость затрат на приобретение материала для нее, дополнительных технологических операций по ее приготовлению и введению в состав керамики, что снижает затраты на ее производство. Горячее изостатическое прессование выполняется при длительном цикле в условиях ограниченного размерами камеры пространства для деталей. Осевое холодное прессование в автоматическом режиме и последующее спекание в проходной камерной печи обеспечивает высокую производительность технологического процесса. Заявляемый способ позволяет заменить дорогостоящее и низкопроизводительное горячее изостатическое прессование на осевое прессование за счет более мелкодисперсных частиц керамических компонентов шихты, полученных при синтезе стабилизированного в тетрагональной фазе диоксида циркония из солей и помола материалов в высокоскоростном активаторе, что позволяет получить более мелкозернистую, однородную и плотную микроструктуру керамики без использования процесса горячего прессования, в результате снижаются затраты на производство керамики и упрощается технология. Приведенные параметры сушки смеси, просеивания, прессования и спекания обеспечивают требуемые условия получения керамики, имеющей более высокой коэффициент трещиностойкости, чем в прототипе.

Примеры реализации изобретения.

Смесь, состоящую из 150 г. гидратированного оксинитрата циркония ZrO(NO3)3*3H2O и 7,6 г гидратированного карбоната иттрия Y2(CO3)*3H2O в заданном стехиометрическом соотношении (в данном случае на состав 3 мол.% Y2O3-ZrO2) загружают в барабаны и в течение 3 мин. проводят обработку в планетарной мельнице АПФ-3 (патент РФ №1584203) при ускорении 40 g, барабаны и шары изготовлены из диоксида циркония. Активированную смесь нагревают при 550°C в течение 2 часов и подвергают 1-мин обработке в этой же мельнице, проводят предварительный мокрый помол 105 г оксида алюминия с 0,8 г карбоната магния в водной среде (65 мл воды) в течение 20 мин, добавляют к полученной суспензии стабилизированный иттрием диоксид циркония, осуществляют совместный помол смеси в течение 5 мин, добавляют пластификатор, сушат, измельчают, порошок компактируют осевым прессованием при 190 МПа и спекают при температуре 1550-1600°C. Полученная плотная композитная керамика имеет плотность 4.45 г/см 3 (98% от теоретической), открытую пористость 0,001%, твердость 13,81 ГПа, коэффициент трещиностойкости K1C=6.5 МПа·м 1/2 .

Смесь, состоящую из 150 г гидратированного оксикарбоната циркония ZrOCO3*2H2O и 44 г церий аммоний нитрата (NH4)2Ce(NO3)6, загружают в барабаны и проводят получение стабилизированного диоксида циркония в соответствии с методикой, описанной в примере 1, проводят предварительный мокрый помол 105 г оксида алюминия с 0,8 г карбоната магния в водной среде (65 мл воды) в течение 20 мин, добавляют к полученной суспензии стабилизированный оксидом церия диоксид циркония в количестве 45 г, осуществляют совместный помол смеси в течение 5 мин, добавляют связующее, сушат, измельчают, порошок компактируют осевым прессованием при 190 МПа и спекают при температуре 1550-1600°C.

Полученная плотная композитная керамика имеет плотность 4.5 г/см 3 (98% от теоретической), открытую пористость 0,005%, твердость 14-16 ГПа, коэффициент трещиностойкости K1C 8 МПа·м 1/2 .

Смесь, состоящую из 150 г гидратированного оксинитрата циркония ZrO(NO3)3*3H2O и 7,6 г гидратированного карбоната иттрия Y2(CO3)3*3H2O, загружают в барабаны и проводят получение стабилизированного диоксида циркония в соответствии с методикой, описанной в примере 1, проводят предварительный мокрый помол 105 г оксида алюминия с 0,8 г карбоната магния в водной среде (65 мл воды) в течение 20 мин, добавляют к полученной суспензии стабилизированный иттрием диоксид циркония в количестве 26,3 г, осуществляют совместный помол смеси в течение 5 мин, добавляют связующее, сушат, измельчают, порошок компактируют осевым прессованием при 190 МПа и спекают при температуре 1550-1600°C. Полученная плотная композитная керамика имеет плотность 4,31 г/см 3 (>98% от теоретической), открытую пористость 0,002%, твердость 15-16,8 ГПа, коэффициент трещиностойкости K1C=5,4 МПа·м 1/2 .

Техническим результатом заявляемого технического решения является более технологичный, менее энергоемкий и поэтому менее затратный способ получения керамического композитного материала на основе оксидов алюминия и циркония, обеспечивающий возможность получения плотной алюмоциркониевой керамики с повышенным коэффициентом трещиностойкости.

Оценка свойств керамики из оксидов алюминия и циркония Текст научной статьи по специальности « Физика»

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Губин Сергей Александрович, Маклашова Ирина Владимировна, Мельникова Ксения Сергеевна, Любимов Александр Васильевич, Губина Татьяна Валентиновна

Керамические материалы, содержащие в своем составе ZrO 2, обладают уникальным комплексом свойств: высокой температурой плавления, стойкостью к коррозии, износу, низкой теплопроводностью, высокими прочностью и вязкостью разрушения. На основе полученных уравнений состояния индивидуальных веществ оксидов алюминия и циркония, в предположении аддитивного смешения, получены уравнения состояния корундо-циркониевой керамики (Al 2O 3 и ZrO 2). В зависимости от состава рассчитаны теплофизические и термодинамические свойства керамики на основе Al 2O 3 и ZrO 2. Достоверность полученных уравнений состояния подтверждается согласием расчетных и экспериментальных данных по температуре плавления, коэффициенту изоэнтропического сжатия , модулю Юнга и объемной скорости звука. Дан прогноз теплофизических, термодинамических и механических свойств керамики при высоких давлениях и температурах.

Читайте также:  Пылесосы — быстрые бытовые помощники

Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Губин Сергей Александрович, Маклашова Ирина Владимировна, Мельникова Ксения Сергеевна, Любимов Александр Васильевич, Губина Татьяна Валентиновна

Estimation of Properties for Corundum-Zirconia Ceramics

Ceramic materials containing in their composition ZrO2, have a unique combination of properties: high melting point, resistance to corrosion, abrasion, low thermal conductivity, high strength and fracture toughness. Equation of state (EOS) was obtained for corundum-zirconia ceramics (Al 2O 3 and ZrO 2) based on the model of additive mixing and EOS for the individual components. Depending on the composition thermal and thermodynamic properties of ceramics based on Al 2O 3 and ZrO 2 have been calculated. The reliability of EOS is confirmed by the agreement between the calculated and experimental data on the melting temperature, isentropic compression ratio , Young’s modulus and bulk sound velocity. Thermal, thermodynamic and mechanical properties of ceramics at high pressures and temperatures have been predicted.

Текст научной работы на тему «Оценка свойств керамики из оксидов алюминия и циркония»

ОЦЕНКА СВОЙСТВ КЕРАМИКИ ИЗ ОКСИДОВ АЛЮМИНИЯ И ЦИРКОНИЯ

С. А. Губин1, И. В. Маклашова1, К. С. Мельникова1, А. В. Любимов1, Т. В. Губина2

Кафедры: № 4 «Химическая физика» (1), № 18 «Конструирование приборов и установок» (2), ФГАОУ ВПО «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», г. Москва; sagubin@mephi.ru

Ключевые слова и фразы: коэффициент изоэнтропического сжатия; коэффициент теплового расширения; линия плавления; модуль Юнга; оксид алюминия; оксидная керамика; уравнение состояния.

Аннотация: Керамические материалы, содержащие в своем составе ZrO2, обладают уникальным комплексом свойств: высокой температурой плавления, стойкостью к коррозии, износу, низкой теплопроводностью, высокими прочностью и вязкостью разрушения. На основе полученных уравнений состояния индивидуальных веществ оксидов алюминия и циркония, в предположении аддитивного смешения, получены уравнения состояния корундо-циркониевой керамики (Al2Oз и ZrO2). В зависимости от состава рассчитаны теплофизические и термодинамические свойства керамики на основе Al2Oз и ZrO2. Достоверность полученных уравнений состояния подтверждается согласием расчетных и экспериментальных данных по температуре плавления, коэффициенту изоэнтропического сжатия, модулю Юнга и объемной скорости звука. Дан прогноз теплофизических, термодинамических и механических свойств керамики при высоких давлениях и температурах.

Из керамических материалов наиболее широкое распространение на практике получили композиты системы А12О3 – ZrO2, благодаря замечательным механическим свойствам, включая прочность, износостойкость, термическую и химическую стабильность. Для конструирования деталей и изделий из оксидных керамик необходимо уметь рассчитывать теплофизические, термодинамические и механические свойства этого материала в широкой области давлений и температур, включая критические (нестандартные) условия эксплуатации, а также экстремальные состояния, реализуемые при аварийных ситуациях.

Для описания свойств композита данного типа, состоящего из хорошо перемешанных микрочастиц А12О3 и ZrO2 размером около 5 мкм, используется модель гетерогенной среды с равномерно распределенными по объему частицами. В этом случае поведение композитов рассматривается с позиции механики сплошных сред [1] и находить уравнения состояния (УРС) для описания свойств композита.

В настоящее время отсутствуют УРС и экспериментальные данные необходимые для получения данных уравнений оксидных керамик, но имеются экспери-

ментальные данные (ударные адиабаты) индивидуальных компонентов, входящих в их состав. Для описания свойств конденсированных А12О3 и 2г02 в твердой фазе используется термическое УРС в форме Ми-Грюнайзена

где Ру – упругое давление при Т = 0 К; Г( V) – постоянная Грюнайзена; Е – тепловая энергия кристаллической решетки; V – удельный объем. Для нахождения УРС вещества по методике [2, 3] подбирался подгоночный параметр в выражении для Г(У) до полного совпадения с экспериментальными данными на ударной адиабате. Таким образом, найдены УРС для А12О3 и 2г02 в широком диапазоне изменения давления и температуры.

На основе УРС получено выражение для изохорно-изотермического потенциала Е^, Т) твердого тела в квазигармоническом приближении

F (V, T) = Еу (V) + 3Rn

2 9(V, T) + T ln 11 – exp I – T

где Еу( V) – упругая энергия, производная которой по объему V определяет упругое давление Ру(У) = – ёЕу/ёУ; Я – универсальная газовая постоянная; п – число атомов в молекуле; Т) – характеристическая температура Эйнштейна; Е0 – константа, позволяющая при необходимости изменить уровень отсчета внутренней энергии.

На основе (1) получены Е^, Т) и Е2(У, Т) для рассматриваемых оксидов А12О3 и 2г02. Для нахождения УРС керамики предположим, что свойства реальной многокомпонентной керамики описываются моделью неаддитивного смешения компонентов. Композиты на основе межфазного взаимодействия делятся на классы [4], к одному из которых относятся и эвтектики. Поэтому композит на основе А12О3 и 2г02 можно рассматривать как смесь двух веществ и описывать с помощью модели твердого раствора. В этом случае энергия Гельмгольца многокомпонентной керамики с неаддитивным (неидеальным) взаимодействием описывается соотношением

Е(V, Т, х) = хЕ1 (V, Т) + (1 – х) Е2 (V, Т) + ДЕ(V, Т, х), (2)

где Е1(р, V), Е2(р, V) – свободная энергия Гельмгольца для первого и второго компонента соответственно, определяемые для каждого компонента по методике [2, 3]; х – массовая концентрация компонента. Третье слагаемое характеризует изменение свободной энергии Гельмгольца благодаря образованию особой структуры керамического материала, в которой частицы компонентов прочно соединены между собою частицами материала образованного взаимной диффузией компонентов. Такая модель как бы учитывает образование внутренней «арматуры» в среде вследствие взаимной диффузии веществ по границам контактов спекаемых частиц, которая и обуславливает «неидеальность» материала.

ДЕ(V, Т, х) = ЯТ (х11п х1 + х2 1п х2 ) + (а + ЬТ + сТ2 + ёТ3 + еТ4 ) (х1 – х2 )2, (3)

где х1, х2 – массовые концентрации, х1 = х, х2 = 1 – х.

Для нахождения параметра «неидеальности» материала ЛЕ(К, Т, х) использовались экспериментальные данные по температуре плавления в зависимости от состава композита [5]. Методом наименьших квадратов подбирались значения коэффициентов а, Ь, с, ё и е для наилучшего описания экспериментальных данных по температуре плавления композита в зависимости от его состава. На рисунке 1, а представлено сравнение расчетных и экспериментальных данных. При этом оказалось, что значения коэффициентов в (3) малы. Третье слагаемое (неидеальное

T10 3028262422 -20 0

1 20 1 40 1 60 ■ 1 80 100

Рис. 1. Зависимости температуры плавления (а), коэффициента изоэнтропического сжатия (б), модуля Юнга (в) и объемной скорости звука (г) композита от концентрации оксида циркония [&02]:

сплошная линия – расчет; маркеры – экспериментальные данные

взаимодействие) в (2) слабо зависит от температуры и приблизительно равно постоянной величине при заданном соотношении компонентов в керамике.

Так как зависимость (2) энергии Гельмгольца от состава композита полностью определяет свойства двухкомпонентного композита, то все термодинамические, теплофизические и упруго-механические свойства материала находятся частным дифференцированием выражения (2). Вследствие того, что AF

сош!(хь х2), значения частных производных по температуре от третьего слагаемого в (2) приблизительно равны нулю и в этом случае свойства рассматриваемой керамики можно описать простой моделью аддитивного смешения компонентов [1].

Путем дифференцирования выражения (2) рассчитаны теплофизические, термодинамические и механические параметры композита в зависимости от состава. На рисунке 1, б представлены значения коэффициента изоэнтропического сжатия для композита А12О3 + х2г02 в зависимости от состава в сравнении с экспериментальными данными [6]. На рисунке 1, в показана зависимость значения модуля Юнга композита А12О3 + х2г02 от объемного содержания 2г02 в сравнении с экспериментальными данными [7, 8]. На рисунке 1, г приведена зависимость значения объемной скорости звука композита А12О3 + xZr02 от массового содержания 2г02 в сравнении с экспериментальными данными [6, 9, 10].

Сравнение результатов расчетов с экспериментальными данными (см. рис. 1, б, в, г) показывает применимость модели неаддитивного смешения для предсказания теплофизических и механических свойств керамик. Этот вывод согласуется с [1].

Рис. 2. Зависимость коэффициента теплового расширения композита А1203 + 19 % 2г02 от температуры при различных давлениях, ГПа:

1 – 1-10″4; 2 – 1; 3 – 10; 4 -25; 5 – 50

Сравнение результатов расчетов с экспериментальными данными показывает применимость разработанной модели для прогнозирования теплофи-зических и механических свойств керамик. Однако необходимо отметить, что такая простая модель не учитывает изменения дисперсности компонентов, структуры материала в процессе спекания. Влияние технологических параметров производства керамики на ее свойства (время, температура спекания, давление) также не учитывается. Для более точного описания свойств керамики необходимы более сложные модели с дополнительными слагаемыми, учитывающими изменения структуры, образование дефектов в материале в процессе производства. Для нахождения этих параметров нужны экспериментальные данные, характеризующие изменение свойств керамики при разных технологических режимах производства.

Тот факт, что УРС индивидуальных компонентов керамики 2г02 и А12О3 определены с использованием ударных адиабат в широкой области давлений и температур позволяет использовать данные УРС композита для прогнозных расчетов свойств керамики в широкой области изменения давления и температур (рис. 2).

Сопоставление результатов с достоверными экспериментальными данными, осуществленное для важных практических свойств композитов показывает применимость выбранного подхода для прогнозирования свойств композитных материалов.

Для оценки свойств корундо-циркониевой керамики предложена модель, позволяющая получить УРС материала на основе УРС известных для отдельных компонентов.

Согласие экспериментальных и расчетных данных, полученных с использованием уравнений состояния оксидов алюминия А12О3 и циркония 2гО2 и их смесей, доказывает применимость модели для оценки термодинамических, теплофи-зических и упруго-механических свойств керамических материалов, в том числе при высоких давлениях и температурах.

1. Кристенсен, Р. Введение в механику композитов / Р. Кристенсен. – М. : Мир, 1982. – 336 с.

2. Молодец, А. М. Обобщенная функция Грюнайзена для конденсированных сред / А. М. Молодец // Физика горения и взрыва. – 1995. – Т. 31, № 5. – С. 132 – 133.

3. Молодец, А. М. Функция Грюнайзена и нулевая изотерма трех металлов до давлений 10 ТПа / А. М. Молодец // Журн. эксперим. и теорет. физики. – 1995. -Т. 107, вып. 3. – С. 824 – 832.

4. Андреева, А. В. Основы физикохимии и технологии композитов : учеб. пособие для вузов / А. В. Андреева. – М. : ИПРЖР, 2001. – 192 с.

5. The Eutectic and Liquidus in the Al2O3-ZrO2 system / G. R. Fisher [et al.] // Journal of Materials science. – 1981. – Vol. 16. – P. 3447 – 3451.

6. Phani, K. K. Ultrasonic Characterization of Zirconia-Toughened Alumina Ceramics / K. K. Phani, S. Mukherjee, D. Basu // Journal of the American Ceramic Society. – 1996. – Vol. 79 (12). – P. 3331 – 3335.

7. Mechanical Properties of Alumina-Zirconia Composites for Ceramic Abutments / M. C. C. de S. e B. de Moraes [et al.] // Materials Research. – 2004. -Vol. 7, No. 4. – P. 643 – 649.

8. Chen, R. Z. Toughening alumina with silver and zirconia inclusions / R. Z. Chen, W. H. Tuan // Journal of the European Ceramic Society. – 2001. – Vol. 21. -P. 2887 – 2893.

9. Munro, R. G. Evaluated Material Properties for a Publications Sintered alpha-Al2O3 / R. G. Munro // Journal of the Facilities American Ceramic Society. -1997. – Vol. 80. – P. 1919 – 1928.

10. Скрипняк, В. А. Зависимость продольной скорости звука в конструкционных материалах от давления и степени поврежденности / В. А. Скрипняк, Е. Г. Скрипняк, Т. В. Жукова // Физика горения и взрыва. – 2001. – Т. 37, № 5. -С. 121 – 127.

Estimation of Properties for Corundum-Zirconia Ceramics

S. A. Gubin1, I. V. Maklashova1, K. S. Melnikova1, A. V. Lyubimov1, T. V. Gubina2

Department of Chemical Physics (1), Department of Engineering Science and Technology (2), National Research Nuclear University “MEPhI”, Moscow; sagubin@mephi.ru

Key words and phrases: aluminic oxide; coefficient of thermal expansion; equation of state; isentropic compression ratio; melting line; oxide ceramics; Young’s modulus.

Abstract: Ceramic materials containing in their composition ZrO2, have a unique combination of properties: high melting point, resistance to corrosion, abrasion, low thermal conductivity, high strength and fracture toughness. Equation of state (EOS) was obtained for corundum-zirconia ceramics (Al2O3 and ZrO2) based on the model of additive mixing and EOS for the individual components. Depending on the composition thermal and thermodynamic properties of ceramics based on Al2O3 and ZrO2 have been calculated. The reliability of EOS is confirmed by the agreement between the calculated and experimental data on the melting temperature, isentropic compression ratio, Young’s modulus and bulk sound velocity. Thermal, thermodynamic and mechanical properties of ceramics at high pressures and temperatures have been predicted.

1. Christensen R.M. Mechanics of composite materials, New York: Wiley -Interscience publication, 1979, 348 p.

2. Molodets A.M. Combustion, Explosion and Shock Waves, 1995, vol. 31, no. 5, pp. 620-621. doi: 10.1007/BF00743815.

3. Molodets A.M. Journal of Experimental and Theoretical Physics, 1995, vol. 80, no. 3, pp. 467-471.

4. Andreeva A.V. Osnovy fizikokhimii i tekhnologii kompozitov (Fundamentals of physical chemistry and technology of composites), Moscow: IPRZhR, 2001, 192 p.

5. Fisher G.R., Manfredo L.J., McNally R.N., Doman R.C. Journal of Materials science, 1981, vol. 16, pp. 3447-3451. doi: 10.1007/BF00586307.

6. Phani K.K., Mukherjee S., Basu D. Journal of the American Ceramic Society, 1996, vol. 79, issue 12, pp. 3331-3335. doi: 10.1111/j.1151-2916.1996.tb08116.x.

7. Moraes M.C.B., Elias C.N., Filho J.D., Oliveira, L.G. Materials Research, 2004, vol. 7, no. 4, pp. 643-649.

8. Chen R.Z., Tuan W.H. Journal of the European Ceramic Society, 2001, vol. 21, pp. 2887-2893.

9. Munro R.G. Journal of the American Ceramic Society, 1997, vol. 80, issue 8, pp. 1919-1928. doi: 10.1111/j.1151-2916.1997.tb03074.x.

10. Skripnyak V.A., Skripnyak E.G., Zhukova T.V. Combustion, Explosion and Shock Waves, 2001, vol. 37, issue 5, pp. 600-606. doi: 10.1023/A:1012357507095.

Einschätzung der Eigenschaften der Keramik aus den Oxiden des Aluminiums und des Zirkoniums

Zusammenfassung: Die Keramischen Materialien, die im Bestand ZrO2 enthalten, verfügen über den einzigartigen Komplex der Eigenschaften: in der hohen Temperatur des Schmelzens, der Standhaftigkeit zur Korrosion, dem Verschleiß, niedrig von der Wärmeleitfähigkeit den hohen Haltbarkeiten und der Zähigkeit der Zerstörung. Aufgrund der bekommenen Angleichungen des Zustandes der individuellen Stoffe der Oxide des Aluminiums und des Zirkoniums, in der Annahme der additiven Vermischung, sind die Angleichungen des Zustandes der Keramik (Al2O3 und ZrO2) bekommen. Je nach dem Bestand sind die wärmephysikalischen und thermodynamischen Eigenschaften der Keramik aufgrund Al2O3 und ZrO2 berechnet. Die Glaubwürdigkeit der bekommenen Angleichungen des Zustandes wird vom Einverständnis der Rechen- und experimentalen Daten nach der Temperatur des Schmelzens, dem Koeffizienten нзоэнгропннеского die Kompressionen, dem Modul Junga und der räumlichen Geschwindigkeit des Lautes bestätigt. Es sind die wärmephysikalischen, thermodynamischen und mechanischen Eigenschaften der Keramik bei den hohen Drücken und den Temperaturen vorausgesagt.

Estimation des propriétés de la céramique à partir de l’aliminium et du zirconium

Читайте также:  Обслуживание плоской эксплуатируемой кровли

Résumé: Les matériax céramiques contenant dans sa composition ZrO2, possèdent un complexe unique de propriétés: une haute température de fusion, une rigidité envers la corrosion, l’usure, une basse conductibilité thermique, une haute solidité et ténacité. Sont reçues des équations de l’état de la céramique de corindon et de zirconium (Al2O3 h ZrO2). Compte tenu de la composition sont calculées les propriétés thermophysiques et thermodynamiques de la céramique à la base de Al2O3 et ZrO2. L’authenticité des équations reçues est soulignée par la concordance des données de calcul et d’expériment sur le point de fusion, le coefficient de la contraction isoentropique, le module de Young et la vitesse volumineuse de son. Sont prévues les propriétés thermophysiques, thermodynamiques et mécaniques de la céramique lors de hautes tensions et températures.

Авторы: Губин Сергей Александрович – доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой № 4 «Химическая физика»; Маклашова Ирина Владимировна – старший преподаватель кафедры № 4 «Химическая физика»; Мельникова Ксения Сергеевна – магистрант кафедры № 4 «Химическая физика»; Любимов Александр Васильевич – кандидат физико-математических наук, доцент кафедры № 4 «Химическая физика»; Губина Татьяна Валентиновна – кандидат технических наук, доцент кафедры № 18 «Конструирование приборов и установок», ФГАОУ ВПО «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», г. Москва.

Рецензент: Ассовский Игорь Георгиевич – доктор физико-математических наук, доцент, заведующий лабораторией, ФГБУН «Институт химической физики им. Н. Н. Семенова» Российской академии наук, г. Москва.

О деталях из оксидов алюминия и циркония

05.16.06 – “Порошковая металлургия и композиционные материалы”

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена в Институте Электрофизики УрО РАН

Научный руководитель: член – корреспондент РАН, доктор физико-математических наук, Иванов Виктор Владимирович

Официальные оппоненты: член – корреспондент РАН, доктор технических наук, профессор, Алымов Михаил Иванович доктор физико-математических наук, Бредихин Сергей Иванович

Ведущая организация: Институт химии твердого тела УрО РАН

Защита состоится 26 мая 2010 г. в 14 – 00 на заседании диссертационного совета Д 002.060.02 в Учреждении Российской академии наук Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН по адресу: Ленинский пр-т., 49, Москва, ГСП-1, 119991, Россия.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Ваши отзывы в двух экземплярах, подписанные и заверенные гербовой печатью, с указанием даты подписания просим высылать по адресу: Москва, ГСП-1, 119991, Ленинский пр-т., 49, Учреждение Российской академии наук Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН.

Диссертационный совет Д 002.060. Автореферат разослан «_» 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 002.060. доктор технических наук, профессор А. Е. Шелест

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Современные потребности развития перспективных отраслей техники стимулируют поиск путей создания новых материалов с улучшенными, и часто с абсолютно новыми эксплуатационными характеристиками. Широко востребованными в керамической группе материалов являются, например, элементы электрохимической энергетики, функциональные электролиты и электроды, конструкционные керамики для экстремальных условий эксплуатации, активные среды твердотельных лазеров и многие другие. Однако применение традиционных керамических материалов, характеризующихся крупнозернистой структурой, ограничено из-за их недостаточной трещиностойкости и прочности. В ряде современных исследований показано, что значительное повышение механических и функциональных свойств керамических материалов достигается благодаря уменьшению размера кристаллитов в субмикронную область.

Одним из наиболее перспективных направлений является создание прочных конструкционных керамик для широкого спектра применений с энергонапряженными условиями эксплуатации (пры трения в абразивных и агрессивных средах, защитные пластины, режущий инструмент, струе формирующие насадки для гидроабразивного резания и др.). Применение нанопорошков и адекватных методов их формования и спекания может позволить в разы увеличить трещиностойкость керамик благодаря тонкой микроструктуре с субмикронным масштабом. Это позволит создавать изделия с многократно увеличенным ресурсом работы. В частности, керамики на основе Al2O3 могут иметь особенно высокий прогресс благодаря большим сырьевым ресурсам и значительному резерву улучшения механических свойств с переходом в состояние с субмикронным масштабом структуры. Однако задача получения плотной керамики с субмикронной структурой на основе Al2O3 до начала наших работ не была решена. Проблема серьезно осложнена тем, что нанопорошок Al2O3, как правило, состоит из метастабильных и форм, и происходящий при спекании полиморфный переход стимулирует собирательную рекристаллизацию Al2O3 – корунда.

Значительные улучшения функциональных свойств ожидаются и для керамик, предназначенных для энергетических применений. Есть основания полагать, что переход к керамикам с субмикронной структурой на основе оксидов циркония и церия позволит улучшить ионную проводимость данных материалов при одновременном улучшении их механических свойств.

Изучением проводимости этих керамик в микрокристаллическом состоянии в настоящее время занимается большое число исследователей, однако получение плотной кислородпроводящей нанокерамики является сложной технической задачей. Видимо именно в этом кроется причина того, что проводимость керамик с субмикронной структурой на основе оксида циркония (например, оксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия – YSZ) ранее исследовалась только для тетрагональной модификации. В качестве альтернативы керамикам YSZ в настоящее время активно исследуются керамики на основе СеО2, допированного оксидами РЗЭ. Их повышенная, по сравнению с YSZ, электропроводность позволяет снизить рабочие температуры, и значительно повысить ресурс электрохимических устройств (ЭХУ) на их основе. Дополнительным важным эффектом от реализации субмикронного масштаба структуры керамических кислородопроводящих мембран является возможность значительного уменьшения их толщины, что позволит, благодаря сокращению внутренних потерь, увеличить эффективность ЭХУ на их основе.

При этом экономически привлекательным остается использование для получения нанокерамик традиционной технологической схемы порошковой металлургии, включающей получение порошка, формование порошковой заготовки и спекание компакта до требуемой плотности. Трудности компактирования наноразмерных порошков, в том числе оксидов алюминия, циркония и церия, стимулировали разработку новых нетрадиционных высокоэнергетичных методов формования, в частности, динамических способов уплотнения. В работах коллег автора получил развитие метод магнитно-импульсного прессования (МИП), имеющий ряд преимуществ, и используемый автором настоящей работы.

Исходя из актуальности обозначенной проблемы была выбрана цель работы – определение условий получения керамик с высокими механическими свойствами и керамик с высокими электрохимическими свойствами на основе оксидов алюминия, циркония и церия из слабо агрегированных нанопорошков.

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

Исследование влияния полиморфного превращения – Al2O3 на спекание керамики на основе Al2O3 из слабо агрегированных нанопорошков.

Исследование влияния малых добавок оксидов магния, титана и циркония на полиморфные превращения, рекристаллизацию и уплотнение Al2O3 при спекании плотных прессовок из нанопорошков.

Определение условий достижения высокой плотности керамики и минимизации роста зерна при спекании прессовок из слабо агрегированных нанопорошков оксидов алюминия, циркония и церия.

Установление взаимосвязи микроструктуры, фазового состава, достигнутой микротвердости, трещиностойкости и абразивно-эррозионной стойкости керамик на основе оксида алюминия.

Определение влияния микроструктуры и размера зерна на электропроводность керамик 9,8YSZ (9,8 мол.% Y2O3) и Ce1-хGdхO2x

3. Впервые разделены вклады границ и объема зерен в полную электропроводностьплотных керамик YSZ с кубической структурой со средним размером зерна в диапазоне 100 – 300 нм. Установлено, что при размере зерна 270 нм имеет место минимум электропроводности границ зерен и максимум энергии активации электропроводности объема зерен.

4. Впервые исследована электропроводность керамик Ce1-xGdxO2- с относительной плотностью более 0,97 со средним размером зерна в диапазоне 100 – 300 нм в зависимости от концентрации Gd в диапазоне 0. -Al2O3 приводит к образованию сети специфических пор, стягивание которых требует высоких температур спекания, недопустимых при получении керамики с субмикронной структурой.

Многочисленные экспериментальные данные показывают, что в процессе высокоэнергетического компактирования до высокой плотности происходит механическая активация порошка, в том числе его обогащение зародышами -формы. Такое “засевание” спрессованного порошка метастабильного Al2O является эффективным инструментом ускорения образования -Al2O3 при последующем спекании.

Таким образом, проблема получения высокоплотной корундовой керамики с субмикронной структурой связана с решением комплекса задач: 1) обеспечение высокой плотности и однородности спрессованного метастабильного нано-Al2O3, 2) подбор модифицирующих добавок, 3) ограничение температуры и длительности спекания.

Уникальные свойства керамик как тетрагональной, так и кубической модификации оксида циркония обеспечивают им лидирующую позицию по широте применений в современной и перспективной технике. Особенно интересным представляется перспектива значительного улучшения свойств таких керамик при переходе в наноразмерному масштабу структуры. Однако до начала наших работ задача получения объемных образцов кубической модификации оксида циркония с наноразмерным масштабом структуры не была решена. Практически не были изучены вопросы влияния масштаба структуры в субмикронном диапазоне на электропроводность данной керамики.

Значительных изменений ионно-транспортных свойств керамик на основе кубических модификаций оксида Zr (оксид циркония, стабилизированный 9, мол. % оксида иттрия – 9,8YSZ) и оксида Ce (Ce1-ХGdХO2-) можно ожидать при уменьшении среднего размера зерна в субмикронном диапазоне (100 – 300 нм) за счет изменения состояния межзеренных границ [4 – 7]. Принято считать, что основной причиной уменьшения полной электропроводности для керамики являются границы зерен керамики, и примеси, локализованные на них [5].

Причем, концентрация примеси, при фиксированном общем количестве, на единицу площади границ пропорциональна размеру зерна, поэтому ожидается, что вклад сопротивления границ в уменьшение полной электропроводности материала с субмикронной структурой будет меньше по сравнению с используемыми ныне керамиками с микронным размером зерна. Также актуальной остается задача исследования влияния концентрации допанта – Gd на параметры электропроводности керамики оксида Ce при уменьшении масштаба его структуры до субмикронной области.

Важным дополнительным эффектом уменьшения масштаба структуры керамик в субмикронную область является возможность значительного уменьшения толщины изделий из них, в частности газоплотных мембран из YSZ с проводимостью по иону кислорода. Кроме того, ожидаемое значительное уменьшение температур спекания такой керамики позволит реализовать совместное спекание многослойных элементов электрод-мембрана-электрод.

Указанные перспективы позволят, благодаря сокращению внутренних потерь энергии, увеличить эффективность ЭХУ на их основе.

Таким образом, для успешного решения задачи получения керамик с наноразмерным масштабом структуры необходимо использование слабо агрегированных нанопорошков, спрессованных до высоких, до 70%, относительных плотностей, при ограничении теплового воздействия в процессе спекания.

Вторая глава содержит характеризацию исходных нанопорошков, описание методов их компактирования, спекания и методов исследования свойств получаемых керамик.

Слабо агрегированные нанопорошки были получены методами электрического взрыва проводников (ЭВП) и лазерного испарения (ЛИ) крупнокристаллических мишеней заданного состава в Институте электрофизики УрО РАН (табл. 1). Все порошки характеризуются преимущественно сферической формой частиц. При этом ширина спектра распределения частиц по размерам, полученных методом ЛИ, на

25% уже по сравнению с методом ЭВП. Отличительная особенность используемых порошков – их слабая агрегированность. Практическим критерием слабого агрегирования, принятым в нашей работе, считалось образование устойчивых суспензий в изопропаноле при ультразвуковой обработке (УЗО) с удельной мощностью 20 Вт/мл в течение 3 – 5 минут. Для удаления частиц крупной (> 200 нм) фракции, которой в исходном порошке не более 8 масс.%, порошки подвергались сепарации в изопропаноле.

Для введения в нанопорошок Al2O3 добавок в соответствии табл. готовились смеси порошков. Однородность распределения частиц обоих соединений в смесевых нанопорошках обеспечивалась ультразвуковой обработкой и непрерывным перемешиванием в процессе сушки суспензий.

Таблица 1. Характеристики используемых нанопорошков.

О деталях из оксидов алюминия и циркония

Научная работа

Тематики и направления исследований

Для изготовления изделий из технической керамики в центре используется различные виды сырья, а также применяются различные технологические подходы. Получаемые изделия обладают точными размерами и комплексом эксплуатационных свойств, что обеспечивается совершенством технологии и тщательностью контроля качества полуфабриката и готовой продукции. Центр работает над производством изделий электротехнического назначения (изоляторы), электронной техники (конденсаторы), изделий конструкционного назначения, пьезокерамики и других.

Используемые в центре методы формования и обработки изделий и полуфабрикатов

Данный метод позволяет получать тонкостенные изделия сложной формы. Не требует высоких затрат на оснастку и оборудование

Изделия, полученные данным методом формования, обладают более высокой плотностью и более высокими значениями механических свойств. Это происходит за счет уменьшения расстояния между

Метод позволяет получать изделия сложной формы, минуя стадию сушки. При правильном подборе соотношения порошок-связка можно получить изделия правильной структуры, что хорошо сказывается на их прочностных характеристиках

В данном методе суммируются преимущества полусухого прессования и виброукладки. При приложении вибрации частицы равномерно распределяются в пресс-форме, что способствует увеличению плотности заготовки. Такой режим прессования позволяет получать более плотные заготовки

При правильном подборе амплитуды и частоты колебаний можно достичь более высоких значений плотности для сырца за счет виброукладки частиц. В свою очередь это увеличивает плотность и прочность готовых изделий

Метод позволяет получать в больших объемах габаритные изделия с внутренними полостями, трубки различных диаметров, фильтры, кирпичи и прочее

Шлифование и полирование изделий – две основные механические подготовки готовых изделий (центр обладает возможностью получения поверхности самого высокого класса точности)

Используемые в работе центра материалы и изделия на их основе

Производство керамических изделий на основе оксидов алюминия, бария, циркония.

Обладает высокой твердостью и теплопроводностью, устойчива к изнашиванию в жестких условиях трения.


КЕРАМИЧЕСКИЕ
КОМПОЗИЦИОННЫЕ
МАТЕРИАЛЫ

Композиционные материалы с керамической матрицей.


МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И
ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ

Изготовление и исследование металлов, сплавов и композиционных материалов.

Керамика из оксида алюминия – корундовая керамика

Корундовая керамика обладает высокими электроизоляционными свойствами (от 1×1014 до 1×1015 Ωсм), средней или чрезвычайно высокой механической прочностью (от 300 до 630 MПа); высоким пределом прочности при сжатии (от 2000 до 4000 MПа); высокой твердостью (15 до 19 ГПа); умеренной теплопроводностью, (от 20 до 30 Вт/(м*K)), высокой устойчивостью к коррозии и износу; хорошими показателями скольжения; низкой плотностью (от 3,75 до 3,95 г/см3); рабочей температурой без механической нагрузки – от 1000 до 1500 °C; биоинертностью и пригодностью для пищевых целей. Высокая твердость, теплопроводность, химическая устойчивость к расплавленным металлам, газам и кислотам, включая плавиковую, позволяют широко использовать корундовую керамику в современной технике.

Керамика из диоксида циркония

Керамика на основе диоксида циркония (ZrO2) обладает высоким коэффициентом теплового расширения (α=11 x 10-6/K), низкой теплопроводностью (от 2,5 до 3 Вт/(м*K)), очень высокой устойчивостью к распространению трещин, высокой ударной вязкостью (от 6,5 до 8 МПа*м1/2), способностью проводить ионы кислорода. Керамика на основе диоксида циркония используются, помимо прочих областей применения, при изготовлении инструментов для формования изделий из проволоки, в качестве вспомогательного материала в сварочных процессах, в качестве материала для коронок и мостовидных протезов в стоматологии, в качестве изолирующих колец в тепловых процессах, а также в качестве элементов для измерения содержания кислорода в лямбда-зондах.

Периклазовая керамика (MgO)

Изделия из MgO выдерживают действие органических кислот, расплавов и кислотообразующих газов, в частности SO2, NO2 и H2S, почти не взаимодействует с щелочными средами и водой, не подвергаются разрушению неорганическими кислотами, обладают высокой стойкостью к воздействию основных шлаков и нейтральных солей при высоких температурах. Изделия обладают высокой температурой применения в атмосферных условиях – 2000-2200°С, а в восстановительной среде и в вакууме – 1700°С. Предел прочности плотноспеченного оксида магния составляет 1200-1500 МПа. Периклаз широко используется в производстве керамических материалов и огнеупоров.

Кварцевая керамика характеризуется высокой химической стойкостью, радиопрозрачностью и огнеупорностью; обладает рядом ценных свойств: исключительно высокой термостойкостью (благодаря низкому коэффициенту линейного расширения – 0,5∙10-6 С-1); устойчивостью к перепадам температур от 0 до 1100 °С (кратковременно до 2200 °С без нарушения целостности); стабильными электрофизическими свойствами. Кварцевую керамику применяют в качестве теплоизоляционных элементов в тепловых агрегатах, в качестве труб и форм при литье металлов; в ракетной технике для изготовления головных частей ракет, радиопрозрачных обтекателей антенн и сопел ракетных двигателей.

Керамика из оксида иттрия и его соединений

Оксид иттрия Y 2 О 3 – наиболее устойчивое кислородное соединение иттрия, имеет температуру плавления 2410 – 2415оС, температура начала деформации под нагрузкой 2250оС. При нагревании на воздухе эта керамика устойчива до температуры плавления, а в восстановительной среде (в атмосфере водорода) восстанавливается при температуре около 2000оС. В воде оксид иттрия нерастворим, к щелочам устойчив, но растворяется в минеральных кислотах. Керамику на основе оксида иттрия используют в электровакуумной технике (катоды), атомной энергетике (контейнерный материал), для изготовления тиглей, ИК-окон летательных аппаратов, смотровых окон высоко-температурных печей,

Читайте также:  Особенности современного рынка спецодежды

Керамика на основе силикатов и алюмосиликатов

Муллитовая и муллитокорундовая керамика

Муллит 3Al 2 O 3 ∙2SiO 2 обладает хорошей механической прочностью, сохраняющейся или растущей при высоких температурах (σ изг при 1450оС – 300 МПа), высокой термической прочностью, благоприятными электрофизическими свойствами. Свойства высокоглиноземистой керамики, как правило, улучшаются и приобретают более высокие значения по мере увеличения в материале Al 2 O 3 . Температура эксплуатации изделий – до 1750оС. Из муллитокорунда изготавливают кокили для разливки металла; прижимные пластины для плавильных тиглей; заглушки для металлургических печей; футеровки различных тепловых агрегатов; стаканов и стаканов-коллекторов для шиберных затворов сталеразливочных ковшей; футеровки различных тепловых агрегатов и др.

Клиноэнстантитовая (стеатитовая) керамика

Преимуществами стеатитовой керамики являются ее малая абразивность и незначительная усадка при обжиге (1,0-1,5%). Поэтому из нее изготавливают мелкие детали с повышенной точностью в размерах. Стеатитовая керамика отличается высокой пластичностью, значительной прочностью при статическом изгибе до 190 Мн/м2 (1900 кгс/см2), диэлектрическая проницаемость колеблется в пределах 5,5-7, диэлектрические потери (при частоте 1 Мгц и температуре 20оС) составляют (3-25)∙10-4. Стеатитовую керамику применяют в качестве высокочастотных проходных изоляторов, в качестве электроизоляционного материала для выполнения опорных плит и подложек, изолирующих колец, деталей корпусов полупроводниковых приборов, а также в виде пористой вакуумной керамики для внутриламповых изоляторов

Форстеритовая керамика состава 2MgO∙SiO 2 отличается плотным строением и применяется главным образом в качестве высокочастотного диэлектрика. характеризуется весьма малой величиной диэлектрических потерь tgδ, высоким электросопротивлением ρ, а также повышенным значением термического коэффициента линейного расширения α, что позволяет получать герметичные спаи с железоникелевыми сплавами, но снижает стойкость к термоударам и ограничивает применение. Форстеритовая керамика в результате отсутствия полиморфных превращений не подвержена старению, применяется для изготовления изоляторов вакуумных приборов, когда требуется вакуумплотное соединение с металлом, обладающим повышенным температурным коэффициентом линейного расширения, например с медью

Кордиеритовая керамика – это огнеупорный материал, тройной оксид алюминия, магния и кремния (2MgO∙2Al 2 O 3 ∙5SiO 2 ). Этот материал отличается, хорошими диэлектрическими свойствами, низким коэффициентом термического расширения, обеспечивающим изделиям долгий срок службы, а также положительно сказывающимся на термостойкости. Это свойство материала позволяет применять его для изготовления дугогасительных камер в высоковольтных выключателях, в которых возможен тепловой удар искрового разряда, и аналогичных устройств в высоковольтной и низковольтной электротехнике. Температура использования такой керамики – до 1200 °C. Кордиеритовая керамика широко используется для изготовления высокотемпературных изделий, элементов печей, изоляторов, втулок и других фасонных изделий, а также деталей теплообменников.

Цирконовая керамика – материал на основе силиката циркония ZrO2∙SiO 2 – циркона. Изделия из циркона обладают огнеупорностью около 2000оС. На циркон не действуют растворы кислот и щелочей, устойчив по отношению к кислым шлакам, имеет сравнительно небольшое коэффициент линейного расширения (4,6∙10-6 при 1100оС) и умеренную теплопроводность (так при 1130оС его объемное удельное сопротивление составляет 1,2∙103 Ом∙см). Термостойкость материала хорошая и превышает термостойкость корунда, диоксида циркония и муллита. Циркон обладает хорошими электроизолирующими и прочностными свойствами.

Цельзиан – алюмосиликат бария ВаО∙Аl 2 O 3 ∙2SiО 2 составляет основу этой керамики. Характерными особенностями цельзиановой керамики являются очень низкий температурный коэффициент линейного расширения α, относительно высокая температура плавления (1740°С). Материал характеризуется весьма малым тангенсом угла диэлектрических потерь при нормальной и повышенной температуре, малым значением температурного коэффициента диэлектрической проницаемости, преимущественно электронной электропроводностью. Благодаря высоким электроизоляционным свойствам и малому α этот материал широко используется для изготовления установочных деталей, каркасов высокостабильных катушек индуктивности и высоковольтных конденсаторов с большой реактивной мощностью

В тройной системе Li 2 O – Al 2 O 3 – SiO 2 имеются три кристаллических алюмосиликатных соединения: эвкриптит, сподумен и петалит. Эти соединения имеют уникальное для керамических материалов свойство: они обладают в области небольших температур (до 400 – 500°С) отрицательными коэффициентами линейного расширения. Литиевая керамика выдерживает без разрушения нагрев до 500-1000оС и охлаждение в проточной воде. Высокая термостойкость литиевой керамики даёт возможность применять её в условиях, при которых изделия испытывают резкие перемены температур (например, футеровки индукционных печей, защитные трубки для термопар, радиотехнические изоляторы постоянных размеров и т.д.).

Основа такой керамики – природный минерал волластонит – метасиликат кальция CaO∙SiO 2 . Волластонитовая керамика имеет высокий уровень электрофизических характеристик, хорошую термостойкость, высокую химическую стойкость в различных средах, низкую теплопроводность. Введение волластонита в керамические массы обеспечивает сокращение продолжительности обжига, снижение его температуры, усадки изделий и упрочнение материалов. Волластонит, являясь сильным плавнем, позволяет снизить температуру обжига керамики на 50-70 ºС и повысить плотность и механическую прочность на 25 %. Волластонит применяют при производстве элементов алюмопроводов; футеровочных плит; распределительных коробов, миксеров; тепловых насадок, вставок в кристаллизаторы, переходных плит; дюзов; подводящих лотков; поплавков-дозаторов; защитных втулок; крышек и запорных конусов, а также огнеупорных ремонтных масс.

Керамика на основе диоксида титана, титанатов, цирконатов и других соединений с подобными свойствами

Сегнето- и пьезоэлеткрическая керамика

Пьезокерамические материалы относятся к классу функциональной керамики. В датчиках они преобразуют силы, давления и ускорения в электрические сигналы, а в звуковых и ультразвуковых измерительных преобразователях и актуаторах – электрические напряжения в вибрации или деформации. Выделяет следующие категории: материалы для измерительных преобразователей (ультразвуковые системы и устройства); материалы для датчиков (ультразвуковые передатчики и приемники); материалы для актуаторов (системы прецизионного позиционирования или системы впрыска топлива); материалы специального назначения

Керамика на основе титанатов. Ниобаты, танталаты и другие соединения с пьезоэлектрическими свойствами

Титанат бария BaTiO 3 применяют главным образом для изготовления пьезокерамических элементов и керамических конденсаторов. Пьезокерамику (Ba,Ca)TiO 3 с добавкой кобальта применяют для изготовления пьезоэлементов, работающих в режиме излучения больших мощностей. Состав (BaO,CaO,PbO)TiO 3 , обладает рабочей температурой до 95оС и находит применение для изготовления электроакустических приемников. Пьезосвойства материалов в системе цирконатов-титанатов свинца (ЦТС) более высокие и стабильные в широком температурном интервале. Их применяют для работы как в режиме приема, так и в режиме излучения. Керамика на основе ниобатов (PbNb 2 O 6 ) и танталатов (KTaO 3 , NaTaO 3 )обладает более высокой температурой Кюри и способна работать при более высоких температурах.

Керамика на основе шпинелей

Число шпинелей очень велико. Шпинель используют как огнеупорный, конструкционный и электроизоляционный материал. Особую группу шпинелей, обладающих специфическими магнитными свойствами, составляют шпинели с общей формулой МеО∙Fe 2 O 3 или МеFe 2 O 4 , называемые феррошпинели. Технические свойства шпинелей в значительной степени зависят от структуры шпинели. Из всего разнообразия шпинелей, кроме феррошпинелей, практическое применение нашли некоторые шпинели, обладающие высокой температурой плавления (MgAl 2 O 3 – 2135оС; ZnAl 2 O 4 – 1930оС; CoAl 2 O 4 – 1960оС; NiAl 2 O 4 – 2020оС; MgCr 2 O 4 – 2330оС и др.). Шпинели, не содержащие окислов переменной валентности, вполне устойчивы к действию различных газовых сред. Шпинели отличаются повышенной способностью к образованию твердых растворов замещения, причем многие из них обладают неограниченной взаимной растворимостью.

Керамические композиционные материалы и керметы

Керамические композиционные материалы с разными структурными признаками (дисперсные, армированные волокнами или нитевидными кристаллами, слоистые) обязательно содержат керамическую фазу, а их профилирующее свойство определяется по матричному компоненту. Керамические композиты сочетают в себе свойства технической керамики, но при этом обладают высокой ударной прочностью, нехрупким характером разрушения, устойчивостью к дефектам микроструктуры и различным напряжениям, возникающим при изготовлении и эксплуатации изделия. Керметы получают с применением металлоподобных тугоплавких соединений на металлической связке (на основе нитридов, силицидов, карбида титана и др.) и на основе оксидов. Керметы отличаются высокой износостойкостью; исключительной стойкостью к окислению; высокой прочностью и сопротивлению удару; минимальной шероховатостью обрабатываемой поверхности.

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЙ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ

В настоящее время центр оснащен полным комплектом оборудования для изготовления «под ключ» керамических изделий, деталей и компонентов различного назначения.

Для создания (модернизации) продукции Заказчиков сотрудниками центра проводится комплекс работ по разработке конструкторской и технологической документации на опытный образец, изготовление и испытание опытного (головного) образца (опытной партии).

В состав опытно-технологических работ центра по созданию новых материалов и (или) технологических процессов входят работы по разработке технологической документации и средств технологического оснащения для изготовления установочных серий, а также несерийной или единичной продукции.

Центр обладает уникальными компетенциями в области создания пилотных мелкосерийных производств полного цикла. Наши производственные цепочки позволяют отрабатывать с минимальными затратами производственный цикл и в дальнейшем быстро масштабировать выпуск высокотехнологичной продукции в интересах Заказчика.

Коронки из оксида алюминия

Сегодня стоматолог может предложить пациенту разные варианты восстановления зубов, в зависимости от пожеланий и медицинских показаний. Пациентам, которым требуется идеальная эстетика и высокое качество чаще всего показана так называемая безметалловая керамика. Основные представители этой категории материалов – это коронки из цельной керамики, диоксида циркония и оксида алюминия.

Коронка из диоксид циркония – 12 500р.

В стоимость включены все манипуляции по изготовлению, установке и подгонке коронки, а также снятие слепков. Создание коронки диоксид циркония Prettau за 1 день, по технологии 3D моделирования CAD/CAM. Сэкономьте 5 500р.>>

Звоните сейчас: +7 (495) 215-52-81 или заказать звонок

Время работы: с 9:00 до 21:00 – без выходных

Содержание статьи:

Оксид алюминия: особенности материала

Оксид алюминия не является металлом и относится к разновидности керамики. Это полупрозрачный минерал белого цвета, имеет более высокую степень прозрачности по сравнению с ближайшим конкурентом – диоксидом циркония, поэтому считается более эстетичным материалом для протезирования зубов. Зубные коронки чуть менее прочные, чем аналогичные протезы из диоксида циркония, но зато отлично подойдут для восстановления передних зубов, на которые не приходится слишком сильная жевательная нагрузка, при этом предъявляются максимально высокие требования к эстетике.

Интересные факты об оксиде алюминия:

Металл алюминий является самым распространенным на планете и составляет примерно 8,8% земной коры. Однако из-за своей химической активности он редко встречается в чистом виде и добывается в основном из горных пород.

Зубы из драгоценных камней?

Природный оксид алюминия – минерал, похожий на полупрозрачный белый песок, называемый “корунд”, по твердости занимает второе место после алмаза. Крупные прозрачные кристаллы используются в ювелирном деле как драгоценные камни. При наличии примесей может иметь различные оттенки, так корунд красного цвета называется рубином, синего – сапфиром. Также сапфиром в ювелирном производстве традиционно называются любые другие окраски оксида алюминия, кроме красного.

Оксид алюминия: свойства

  • хорошая тепловодность, устойчивость к изменениям температуры;
  • высокая твердость и прочность на излом;
  • устойчивость к корозиям и деформациям;
  • высокая светопропускная способность;
  • гипоаллергенность;
  • биосовместимость;
  • материал более экономичен в производстве по сравнению с керамикой из диоксида циркония;
  • керамический материал из оксида алюминия, использующийся в протезировании зубов, имеет белый цвет, может быть окрашен в различные оттенки, но основной цвет протезов определяет внешний керамический слой, наносящийся поверх каркаса из оксида алюминия.

По сути можно сказать, что оксид алюминия в протезировании зубов представляет из себя нечто среднее по прочности и прозрачности между диоксидом циркония и цельной прессованной керамикой.

Зубные коронки из оксида алюминия: показания

  • отсутствие одного зуба;
  • позволяет создавать непродолжительные зубные мосты;
  • восстановление зубов при аллергии на металлы или чувствительных, слабых деснах;
  • протезирование при высоких требованиях к эстетическим качествам коронок.

Зубные коронки из оксида алюминия: изготовление и установка


Керамика из оксида алюминия относится к высокотехнологичным материалам последнего поколения, довольно сложным в обработке. Для этого требуется специальное оборудование CAD/CAM (компьютерное моделирование/компьютерное изготовление). Аналогичное оборудование используется при изготовлении некоторых видов цельнокерамических протезов и протезов на основе диоксида циркония.

Процесс изготовления коронок на каркасе из оксида алюминия в зуботехнической лаборатории состоит из множества этапов, требует безупречного соблюдения технологии для обеспечения качественного и действительно долговечного результата. Для работы с этим материалом, также, как и с диоксидом циркония требуется наличие определенных знаний и навыков как врача ортопеда, так и зубного техника. Поэтому производство таких коронок доступно не в каждой клинике и не в каждой зуботехнической лаборатории.

Процесс протезирования зубов коронками из оксида алюминия состоит из следующих основных этапов:

  1. подбирается цвет керамического внешнего покрытия коронок из широкой гаммы оттенков;
  2. после подготовки опорных зубов (лечение, депульпирование, обточка) при помощи лазерного сканера создаются электронные слепки препарированного зуба, а также всех соседних и даже размещенных на противоположной челюсти, обсуждается форма будущих коронок;
  3. в компьютере создается виртуальная модель всей челюсти, поскольку крайне важно, чтобы зубной протез был комфортным, удобным и полностью совпадал с прикусом;
  4. опять же посредством компьютеризированного оборудования сначала создается основание коронки (каркас) из цельного кусочка оксида алюминия, которое после покрывается тонким слоем специальной керамики для придания готовому изделию еще большей эстетичности;
  5. коронка проходит окончательную обработку и шлифовку в лаборатории, после чего передается ортопеду;
  6. ортопед закрепляет коронку на опорном зубе, культевой вкладке или абатменте импланта с помощью самоадгезивного стоматологического цемента, который надежно приклеивает коронку к опоре, превращая их в одно целое.

Зубные коронки из оксида алюминия: преимущества

  • естественный внешний вид: оксид алюминия имеет высокую степень прозрачности, благодаря чему качественно изготовленные коронки на его основе внешне не отличимые от естественных зубов, превосходят в эстетике даже коронки на диоксиде циркония;
  • высокая прочность материала: оксид алюминия имеет достаточно высокие показатели прочности, поэтому его применение в некоторых случаях возможно не только в виде единичных коронок на передних зубах, но также при изготовлении небольших мостов, коронок на жевательные зубы и на имплантах;
  • отсутствие металла в конструкции коронки: материал не вызывает аллергию, отсутствует неприятное ощущение «металла» во рту (гальванический эффект), не окисляется, кроме того, десны не окрашиваются в синий цвет из-за соприкосновения с металлом;
  • долговечность: коронки на оксиде алюминия не деформируются, не меняют цвет со временем, устойчивы к разным температурам (горячей и холодной пище), кроме того, компьютерная фрезеровка обеспечивает высокоточное прилегание протеза к опоре, что препятствует размножению бактерий между коронкой и опорным зубов и дальнейшей расфиксации коронки. Таким образом продлевается не только срок службы самой коронки, но и жизнь опорного зуба, так как он надежно защищен от разрушительного воздействия бактерий. Срок службы таких коронок – более 15 лет. При бережном отношении и соблюдении гигиены можно значительно продлить срок службы зубных протезов;
  • биосовместимость: оксид алюминия не отторгается тканями организма, абсолютно безвреден, не вызывает раздражений и воспалений мягких тканей;
  • требуется минимальная обточка естественных зубов, поскольку используемый материал позволяет создавать довольно тонкие коронки.

Альтернативы коронок из оксида алюминия

Зубные коронки из оксида алюминия чуть менее прочные, чем коронки на диоксиде циркония или металлокерамические, поэтому для протезирования жевательной группы зубов или продолжительных мостовидных конструкций врачи рекомендуют все-таки использовать материалы максимальной прочности.

Коронка диоксид циркония на имплант за все 50 000р.

Имплантат Alpha Bio или MIS (Израиль), индивидуальный циркониевый абатмент, формирователь десны, снятие слепков. Создание циркониевой коронки Prettau по технологии 3D моделирования. Консультация у 2 врачей: ортопеда и имплантолога бесплатно!

Звоните сейчас: +7 (495) 215-52-81 или заказать звонок

Время работы: круглосуточно – без выходных

При протезировании передних зубов альтернативой коронкам на оксиде алюминия могут служить коронки из цельной прессованной керамики, не уступающие оксиду алюминия в эстетике. Цельнокерамические коронки могут быть также тоньше оксид-алюминиевых и, как правило, они дешевле по стоимости. Однако прессованная керамика немного уступает оксиду циркония в прочности и, соответственно, долговечности.

Именно зубные коронки из оксида алюминия многие врачи-стоматологи предлагают пациентам в качестве оптимального варианта для восстановления передних зубов, на которые приходится минимум жевательной нагрузки, а вот требования к натуральности и естественности – на самом высоком уровне.

Ссылка на основную публикацию