4_Nemat_mat

36

Роботу виконують з дозволу викладача у відповідності з інструкціями із ТБ (додаток А).

3.6. Порядок виконання лабораторної роботи

Ознайомитися зі зразками і деталями із вуглеграфітових матеріалів, вивчити технології їх виготовлення.

Провести випробування на розтяг зразків з вуглеграфітових матеріалів. Визначити значення їх механічних властивостей і занести в табл. 3.3.

Таблиця 3.3 – Властивості полікарбонату та полісульфону, армованих пековими вуглецевими волокнами

Мета роботи, загальні відомості. Охарактеризувати основні види вуглеграфітових матеріалів. Описати технологію їх виготовлення. Оцінити фізико-механічні й експлуатаційні характеристики вуглеграфітових матеріалів, вказати їх переваги в порівнянні з іншими конструкційними матеріалами. Результати випробувань занести в таблиці. За даними таблиць побудувати графіки залежностей механічних властивостей від об’ємного вмісту волокон із застосуванням теоретичних відомостей про природу вуглеграфітових матеріалів пояснити характер отриманих залежностей.

Зробити висновки відносно досліджених властивостей вуглеграфітових матеріалів.

3.8. Література:

37

1.Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений. – 3-е изд., перераб. и доп.

– М.: Машиностроение, 1990. – С 505 – 508.

38

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 4

Вивчення структури і властивостей конструкційної кераміки і композиційних матеріалів з керамічною матрицею

Мета роботи: ознайомитися зі зразками і деталями з кераміки і композиційних матеріалів з керамічною матрицею (ККМ), оцінити корозійну стійкість і окалиностійкість кераміки, вивчити структуру зразків із ККМ.

4.1. Загальні відомості

Кераміку, призначену для виготовлення механічно навантажених деталей називають конструкційною керамікою. Переваги кераміки як конструкційного матеріалу в порівнянні з металами виявляються насамперед при високих температурах і у хімічно активних середовищах.

До конструкційної кераміки відносять оксидну кераміку (отриману на основі оксидів металів), безоксидну (отриману на основі безкисневих з'єднань) і композиційні матеріали, у яких матриця виконана з керамічного матеріалу.

До оксидної кераміки відносять матеріали на основі оксидів: алюмінію, цирконію та лужних оксидів: берилію, магнію, кальцію, торію, урану і церію. Полікристалічна оксидна кераміка майже не містить склоподібної і газової фаз. Для такої структури характерні високі теплопровідність і вогнетривкість, термічна і хімічна стійкість, твердість і стійкість до повзучості. Властивості оксидної кераміки приведені в таблиці 4.1.

Температура плавлення кристалічної фази оксидної кераміки знаходиться у межах 2000-3300°С. Робочі температури складають 0,8- 0.9 від температури її плавлення. Оксидна кераміка має високу кислотну і лужну стійкість. Проте існує кераміка, наприклад, на основі окислів (ВеО, МgО і СаО), яка розчиняється в кислотах.

Оксидні кераміки на основі торію, берилію і цирконію відрізняються малою леткістю при високих температурах, тому вони добре працюють у вакуумі, де застосування інших оксидів неможливо. Оксидна кераміка має досить високу міцність при стисканні та при згині. Міцність при розтягненні складає 0,1 від міцності при стисканні. Ме-

39

ханічні властивості кераміки знижуються при підвищенні пористості виробів. Для кераміки на основі Al2O3 при пористості, що складає 10%, опір повзучості зменшується в 10 разів. Підвищення температури експлуатації також призводить до зниження механічних властивостей.

Найбільшу теплостійкість має кераміка на основі Al2O3 і ВеО. Кераміка на основі ітрію Y2O3 зберігає свої властивості при нагріванні до 1800 °С в повітрі.

Безкиснева кераміка відрізняється від оксидної більшою вогнетривкістю, твердістю і зносостійкістю. Однак опір окислюванню у безкисневої кераміки при температурах вище 900-1000°С недостатній. Тому найбільш повно властивості кераміки такого типу реалізуються в нейтральному чи відновлювальному середовищах або в вакуумі. Виключення складають безкисневі з'єднання, що містять кремній. На поверхні виробів з такої кераміки утворюється шар SiО2, який захищає виріб від подальшого окислювання. Швидкість випаровування у вакуумі (леткість) безкисневих сполук зростає в наступному порядку: карбіди, бориди, силіциди, нітриди. У порівнянні з металами і сплавами безкиснева кераміка (карбіди, бориди) в меншій мірі знеміцнюються при високих температурах. Карбід титана застосовується для виготовлення жароміцних деталей у реактивній і атомній техніці.

Бориди мають високу твердість, температуру плавлення, термостійкість і більш високу температуру окислювання в порівнянні з карбідами і нітридами. Низька леткість боридів дозволяє використовувати їх у відновлювальному середовищі при температурах, що перевищують 5560°С. Діборид цирконію, легований дісиліцидом молібдену (10 % мас.) застосовують для виготовлення деталей двигунів. Така кераміка має високу стійкість до теплового удару (термостійкість), що пов'язано з її низьким коефіцієнтом теплового розширення.

Кераміки на основі нітриду бора, нітриду кремнію, що леговані 5-10 % оксиду ітрію, застосовують також у двигунобудуванні.

Найважливішою властивістю силіцидів, як і інших кремніймістких безкисневих керамік, є їх окалиностійкість, що дозволяє застосовувати їх до температур 1300-1700°С без захисту від окислення. Характерні властивості безкисневої кераміки наведено в таблиці 4.2.

На основі двох типів кераміки - оксидної (Al2O3) і безкисневої (Si3N) синтезований матеріал "Сиалон". Отримані вироби в три рази легше і у 10 разів дешевше, ніж вироби із жароміцних сплавів. Матері-

40

ал "Сіалон" є перспективним для теплонавантажених деталей двигунів внутрішнього згоряння і газотурбінних установок.

Таблиця 4.1 – Фізико-механічні властивості оксидних керамічних матеріалів

40

4.1.2. Технологія одержання конструкційної кераміки

Технологія виробництва конструкційної кераміки починається з виготовлення порошкових матеріалів. Для цього застосовуються механічні, фізико-хімічні та плазмохімічні методи.

При виробництві конструкційної кераміки застосовуються в основному, наступні технології: спікання, реакційного спікання і гарячого пресування.

Реакційне спікання уявляє собою сполучення процесів утворення хімічної сполуки з порошків (наприклад, у системі Si-C чи Si-N) і спікання. Цей метод дозволяє одержати вироби складної форми, однак недостатньої щільності (тобто зі значною залишковою пористістю). У результаті міцність отриманого матеріалу невисока.

Для одержання міцних виробів з високою густиною використовують технологію гарячого пресування порошків у графітових пресформах. Проте таким способом одержують заготовки і вироби тільки простої форми.

Технологія спікання забезпечує одержання керамічних матеріалів із щільністю 93-95 % від теоретичної. При цьому властивості не досягають максимально можливих значень.

Останнім часом одержала поширення технологія гарячого ізостатичного пресування, застосування якого приводить до значного підвищення фізико-механічних характеристик керамічних матеріалів, усуненню внутрішніх дефектів і гомогенізації їх структури.

У таблиці 4.3 наведено механічні властивості конструкційної кераміки, отриманої за різними технологіями.

4.1.3. Застосування конструкційної кераміки

Основною галуззю застосування конструкційної кераміки є газотурбінні двигуни і двигуни внутрішнього згоряння. Застосування кераміки дозволяє збільшити їх к.к.д. на 40-50 % за рахунок підвищення робочої температури, спрощення системи примусового охолодження і зниження втрат на тертя. У ряді країн передбачається створення автомобільних, тракторних, авіаційних і суднових двигунів з використанням теплонавантажених деталей, що виготовляються з керамічних матеріалів. У таблиці 4.4 наведено призначення деталей з конструкційної кераміки.

41

Таблиця 4.3 – Властивості конструкційної кераміки

Таблиця 4.4 – Застосування конструкційної кераміки

42

Практично усі види конструкційної кераміки мають високу стійкість у кислотах і лугах (таблиця 4.5), розплавах металів і можуть використовуватися для виготовлення деталей, що працюють у цих середовищах.

Таблиця 4.5 – Корозійна стійкість деяких керамічних матеріалів (час випробування 100-300 годин)

З кераміки виготовляють жароміцні інструменти, сопла, пальники, циліндри. Такі властивості кераміки, як висока жароміцність, стійкість до радіації робить її перспективною для виготовлення деталей охолоджувачів газів на багатоцільових атомних реакторах та установках ядерного синтезу.

На відміну від дорогих жароміцних сплавів, до складу яких входять дефіцитні елементи, такі як Ni, Cr, Co, W, Mo, вихідна сировина для виготовлення кераміки (Si, N2 , C) є доступною і дешевою. Головною перешкодою для широкого застосування кераміки як конструкційного матеріалу є її крихкість. Для кераміки на відміну від металів характерна висока чутливість до концентраторів напруг. В даний час відсутня єдина методика, що дозволяє вірогідно прогнозувати руйнування кераміки в умовах експлуатації, що також ускладнює впровадження керамічних деталей.

4.1.4. Композиційні матеріали на основі кераміки

Більш високі характеристики надійності порівняно з керамікою мають композиційні матеріали з керамічною матрицею. У таких мате-