Конструкционная керамика на основе нитрида кремния с добавкой алюминатов кальция

• Автор: Лысенков, Антон Сергеевич
• Шифр специальности: 05.17.11
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 139 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
1.1. Порошки нитрида кремния
1.1.1. Кристаллическая структура и свойства нитрида кремния
1.1.2. Методы получения порошков нитрида кремния
1.2. Керамика на основе нитрида кремния
1.2.1. Методы изготовления керамики на основе нитрида кремния
1.2.2. а - (3 фазовый переход и уплотнение Si3N
1.2.3. Спекающие добавки, используемые для получения керамики
из нитрида кремния
1.2.4. Особенности формирования микроструктуры керамики Si3N4 и ее влияние на физико-механические характеристики
1.2.5. Области применения керамики на основе нитрида кремния
1.3. Выводы по обзору литературы
2. Материалы и методы исследования
2.1. Методы исследования
2.1.1. Гранулометрический анализ
2.1.2. Петрографические исследования
2.1.3. Дифференциально - термический анализ (ДТА)
2.1.4. Исследование процесса линейной усадки при спекании
2.1.5. Рентгенофазовый анализ
2.1.6. Электронно-микроскопические исследования (СЭМ)
2.1.7. Определение плотности образцов
2.1.8. Определение механической прочности образцов
2.1.9. Измерение микротвёрдости
2.1.10. Измельчение и смешение порошков
2.1.11. Методы обжига керамики
2.1.12. Масс-спектрометрический анализ

2.2. Характеристики исходных материалов
2.2.1. Нитирид кремния
2.2.2. Нитрид алюминия
2.2.3. Элементарный кремний
2.2.4. Синтез добавки эвтектического состава в системе СаО-А12Оз
3. Получение керамики методом горячего прессования
3.1. Выбор режима обжига
3.2. Микроструктура и свойства керамики на основе СВС порошка нитрида кремния с добавкой Са0-А1203, полученной методом горячего прессования
3.3. Микроструктура и свойства керамики на основе СВС порошка нитрида кремния с добавками СаО-А12Оз и A1N, полученной методом горячего прессования
4. Получение керамики методом обжига в СВС-реакторе
4.1. Формование заготовок
4.2. Обжиг в СВС реакторе низкого давления
4.3. Микроструктура и свойства керамики на основе СВС порошка нитрида кремния с добавкой Са0-А1203, полученная методом обжига в СВС-реакторе низкого давления
4.4. Обжиг в СВС реакторе высокого давления
4.5. Микроструктура и свойства керамики на основе СВС порошка нитрида кремния с добавкой Са0-А1203, полученная методом обжига в СВС-реакторе высокого давления
Выводы
Список литературы
Введение
Создание новых технических объектов, как правило, сопровождается появлением потребностей в новых, в том числе конструкционных материалах. Так в последние сорок лет потребности промышленности привели к тому, что в развитых странах начали разрабатываться и широко внедряться практически во всехтехнических отраслях новые керамические конструкционные материалы на основе нитрида и карбида кремния [1, 2]. Исследования показали, что указанные материалы по комплексу свойств значительно превосходят другие типы керамических материалов [3]. Нитрид и карбид кремния и материалы на их основе обладают высокой рабочей температурой до 1400-1750°С, износостойкостью, химической инертностью, повышенной (особенно нитрид кремния) прочностью и трещиностойкостью [4]. Поэтому появление указанных материалов позволило поставить вопрос о замене металлических изделий керамическими для работы в экстремальных термомеханических условиях, например, в горячей зоне газотурбинных и поршневых двигателей. В настоящее время в развитых странах проводятся исследования, направленные на использование изделий из нитрида и карбида кремния практически во всех отраслях промышленности. Они уже нашли широкое применение в аэрокосмической, металлургической, химической, электронной и других отраслях промышленности [5, 6].
Из материалов на основе нитрида кремния изготавливаются клапаны двигателей внутреннего сгорания, роторы турбонаддува, запорная арматура, подшипники, режущий инструмент, уплотнители и другие изделия [7-11].
В то же время, в развитых странах продолжаются интенсивные исследования, направленные на дальнейшее совершенствование материалов с целью оптимизации механизмов формирования фазового состава и микроструктуры монолитной керамики, создания композиционных структур и т. д.
Среди различных вариантов технологий изготовления плотных материалов

На второй стадии в процессе уплотнения определенный вклад может внести полиморфное а —> р превращение. При спекании нитрида кремния с добавкой оксида иттрия растворение а-фазы и выделение р-фазы нитрида кремния происходит относительно быстро. Однако фазовое превращение протекает с малым переносом вещества. Для нитрида кремния, содержащего оксид магния фазовое а —* р превращение протекает медленнее по сравнению с выше указанным, но при этом, наблюдается относительно большой перенос веществ через жидкую фазу и достигается максимальная величина усадки [104]. В отличие от этого, в образцах нитрида кремния с добавкой оксида иттрия, усадка и а —» р фазовое превращение происходят «согласованно», т.е. с увеличением степени а —» Р-перехода возрастает так же величина усадки. Свойства керамики из нитрида кремния, кроме температуры, времени спекания и приложенного давления газа, во многом предопределяются способом введения оксидных добавок, их содержанием и составом используемой 'засыпки.
Следует отметить, что имеющиеся сведения о способах введения добавок практически невозможно сопоставить, вследствие использования порошков нитрида кремния различных марок, а так же из-за различных условий их спекания. Но все же, можно подчеркнуть, что равномерное распределение добавок в порошке нитрида кремния достигается при введении их в порошок в виде растворов солей.
Нитрид кремния при высоких температурах начинает диссоциировать, в результате чего снижаются свойства керамики на его основе. Известно, что сокращение потерь массы, возникающих при спекании керамики из нитрида кремния в результате его диссоциации, позволяет увеличить плотность и прочность, снизить пористость и тем самым улучшить все свойства готовых изделий [107]. Путями позволяющими достичь указанных целей, являются:
- спекание заготовок при высоком давлении. Таким образом, можно получить изделие с плотностью 97 % от теоретической. Однако в промышленных условиях такой способ не применим, поскольку связан с