Технология получения керамики

 

 

 

 

 

 

 

Реферат по дисциплине:

«Основы технологии материалов»

на тему: «Технология получения керамики»

 

 

Содержание

 

 

 

Введение

Керамика - это особым образом обработанные смеси различных неорганических веществ в тонкоизмельченном состоянии. Детали и сборочные единицы из керамики широко применяют в электронике, автоматике, телемеханике, вычислительной технике, квантовой электронике и др. благодаря ряду замечательных свойств: нагревостойкости, высокой механической прочности, малым диэлектрическим потерям, инертности к ряду агрессивных сред, стабильности и надежности работы в течение длительного времени при термоударах, изменении влажности и давления, радиационной стойкости.

По строению керамика представляет собой сложную систему состоящую из трех основных фаз: кристаллической, стекловидной и газовой. Кристаллическая фаза (основная) представляет собой химические соединения или твердые растворы, она определяет характерные свойства керамического материала; стекловидная фаза находится в керамическом материале в виде прослоек между кристаллической составляющей или обособленных микрочастиц и выполняет роль связующего вещества; газовая фаза представляет собой газы, содержащиеся в порах керамики. Поры ухудшают свойства керамики, особенно при повышенной влажности.

Свойства керамики зависят от состава смеси (химического и процентного соотношения веществ), режима обработки.

В производстве приборов широко применяют: радиокерамику (тибар, ситал, стеатит, форстеритовую, глиноземистую, бериллиевую и др.), электрокерамику (радиофарфор, стеатит и др.), керамику, как конструкционный материал.

 

1. Основной состав керамических материалов. Основные фазы, содержащиеся в керамических материалах

Керамика обычно представляет собой сложную многофазную систему. В ее составе различают кристаллическую, стекловидную и газовую фазы (как правило, в виде закрытых пор).

Кристаллическая фаза, как по содержанию, так и по свойствам, которыми она наделяет материал (диэлектрическая и магнитная проницаемости, мощность потерь, температурный коэффициент линейного расширения, механическая прочность), является основной фазой керамики.

Стекловидная фаза представляет собой прослойки стекла, связывающие между собой зерна кристаллической фазы. В зависимости от типа керамики доля стекловидной фазы в ней может быть большей или меньшей. Количество стекловидной фазы определяет в основном технологические свойства керамики – температуру спекания, степень пластичности и др. С увеличением содержания стекловидной фазы становятся менее заметными свойства керамики, обусловленные основной кристаллической фазой. В частности, при наличии стекловидной фазы свыше 30–40 % (радиофарфор) механическая прочность керамики становится невысокой, ухудшаются также и ее электрические параметры.

Газовая фаза в керамике (в виде закрытых пор) обусловлена особенностями технологического процесса изготовления изделия. Часто она является нежелательной, так как приводит к ухудшению механической и электрической прочности керамических изделий, а также вызывает диэлектрические потери при повышенных напряженностях электрического поля вследствие ионизации газовых включений.

 

2. Основные технологические процессы производства керамических изделий.

Основными технологическими процессами производства изделий из керамики являются подготовка массы, формование, сушка и обжиг. При таком небольшом числе процессов в производстве керамики осуществляются разнообразные варианты технологических схем, которые меняются в зависимости от состава исходной массы, а также от характера продукции.

1. Приготовление шихты

От качества исходных компонентов существенно зависят свойства керамики и их воспроизводимость, поэтому необходимо тщательно контролировать и регулировать физико-химические свойства используемых материалов. Степень пригодности этих материалов для приготовления керамики определяется их чистотой, дисперсностью, структурными характеристиками и активностью.

В качестве основных сырьевых материалов для изготовления дешевых керамических изделий электронной техники, к электрофизическим параметрам которых предъявляются невысокие требования, используются традиционные материалы (глина, полевой шпат, кремнезем, каолин и др.). К ним применяют упрощенные способы очистки для удаления загрязнений, попадающих в массу при технологической переработке. Основные исходные компоненты, предназначенные для изготовления ответственных изделий электронной техники, представляют собой химические реактивы высокой чистоты. Основные требования к сырьевым материалам – стабильность химического и стабильность физико-химического состояния.

Для получения высокоплотной керамики необходимо, чтобы исходные компоненты имели достаточно малый размер частиц, не более нескольких микрометров. Поэтому исходные сырьевые материалы для керамического производства, имеющие вид кусков разных размеров с различными физическими свойствами, подвергаются операции измельчения до получения необходимого гранулометрического состава. Сверхтонкая дисперсность измельченного материала (до размеров частиц 0,5–5 мкм) обеспечивает интенсивную активацию порошкообразных материалов, что приводит к интенсификации процессов твердофазного спекания керамики за счет протекания механохимических реакций.

Гранулометрический состав сырьевых материалов влияет на физико-химические, механические и термические свойства керамических изделий, особенно когда их изготовляют из непластичных масс. Присутствие в шихте мелких фракций непластичных исходных материалов увеличивает контактную реакционную поверхность, что в процессе обжига повышает прочность и плотность изделий, но снижает их термостойкость. За счет повышения содержания крупных фракций структура изделия становится более рыхлой, увеличиваются пористость и термостойкость.

2.1.1 Составление шихты и смешивание исходных компонентов

Составление шихты – важнейшая операция в технологии керамики и заключается в подборе необходимого соотношения и взвешивания исходных компонентов для получения керамики заданного состава. Она в первую очередь определяет точность и воспроизводимость состава, а, следовательно, и свойства изготовляемого керамического изделия.

После составления шихты производят смешивание исходных компонентов до получения однородной массы, что оказывает значительное влияние на качество продукции. Выбор метода и режима смешивания определяется особенностями массы, ее консистенцией в рабочем состоянии и зерновым составом. Получаемая путем смешивания масса кроме однородности должна иметь определенную консистенцию, удобную для формования. Смешивание компонентов осуществляют механическими и химическими методами.

Механический метод смешивания производят в лопастных, пропеллерных и бегунковых смесителях. Высокая степень гомогенности шихты достигается при совместном помоле компонентов смеси в помольной аппаратуре. Такое совмещение процессов смешивания и измельчения значительно упрощает технологию приготовления керамической массы и поэтому часто используется в производстве керамики. Для этих целей чаще всего используют шаровые мельницы. Существуют сухой (безводный) и мокрый (с добавлением воды в мельницу) способы смешивания. Сухое смешивание удобнее мокрого, так как после него отпадает необходимость дополнительных операций обезвоживания и сушки готовой шихты, что уменьшает вероятность изменения заданного состава шихты. Однако мокрое смешивание значительно эффективнее сухого. Кроме того, поскольку при смешивании в шаровых мельницах идет дальнейший процесс измельчения материалов, при мокром смешивании проявляются дополнительные его преимущества перед сухим – более узкий интервал распределения зерен компонентов по размеру после смешивания и меньший средний диаметр зерна.

После смешивания шихты, ее обезвоживания и сушки (в случае мокрого смешивания) необходимо проводить электромагнитную сепарацию частиц железа, попадающих в шихту вследствие истирания при использовании стальных шаров в мельнице. Частицы железа, попадая в диэлектрик, приводят к увеличению мощности потерь и уменьшают его электрическую прочность.

Химический метод смешивания основан на совместном осаждении компонентов (в виде гидратов или других соединений) из жидких растворов солей. С помощью этого метода возможно получение максимально однородной композиции при минимальном размере частиц каждой из соприкасающихся фаз. Действительно, исходя из кинетики твердофазных взаимодействий скорости процессов химического взаимодействия твердых частиц, как правило, лимитируются скоростью диффузии компонентов через слой образовавшегося продукта и поэтому обратно пропорциональны квадрату размеров реагирующих частиц. В соответствии с этим при использовании жидких растворов, т. е. систем, диспергированных до атомно-молекулярного уровня, возможно превращение исходных компонентов в высокооднородный синтезированный продукт с наибольшей плотностью при относительно низких температурах и сроках выдержки.

Помимо совместного осаждения гидратов и других подобных соединений смеси компонентов получают также путем быстрого выпаривания их смешанного раствора, кристаллизации из раствора и др. На следующей стадии процесса производят прокаливание полученной смеси, сопровождаемое термическим разложением соединений (чаще всего в виде солей) и удалением летучих компонентов. Следует подчеркнуть, что процесс совместного осаждения или кристаллизации могут в ряде случаев уже на стадии приготовления композиций вести к образованию твердых растворов кристаллического или аморфного строения.

2.1.2 Специализированные добавки к компонентам керамики

Для регулирования технологических процессов производства и свойств керамики в состав массы в процессе смешивания вводят следующие добавки.

Минерализаторы (в пределах 0,05 – 5%) – для интенсификации процессов обжига. Химический состав вводимых минерализаторов определяется составом получаемой керамики и зависит от механизма процесса спекания.

Пластификаторы вводятся в состав исходной массы с целью повышения ее пластичности и облегчения процессов формования изделий. Одновременно большинство органических пластификаторов являются связующими веществами: они придают массе связность в области невысоких температур, при повышении же температуры (при обжиге) они выгорают.

Связующие вещества благодаря своему адгезивному воздействию склеивают твердые частицы, придавая керамической прессовке прочность, необходимую для обжига. К связкам предъявляются следующие требования:

• высокая пластифицирующая способность, то есть обеспечение необходимой пластичности массы при минимальном количестве пластификатора;

• высокая летучесть при сравнительно низких температурах;

• отсутствие нелетучих примесей, способных загрязнить прессуемый порошок и нарушить заданный химический состав;

• низкие абразивные свойства (для уменьшения износа пресс-форм);

• малая гигроскопичность;

• способность к полному распределению в порошке.

В качестве связующих веществ при производстве керамики используют поливиниловый спирт, парафин, искусственный воск, восковую эмульсию, декстрин, метилцеллюлозу, воду и др. Однако надо учитывать, что применение водосодержащих связок в некоторых случаях вызывает гидратацию оксидов, что в дальнейшем при обжиге может повышать пористость керамических деталей.

Порошок с введенными в него пластификаторами и связующими принято называть пресс-порошком или пресс-массой.

Модификаторы вводят для управления электрофизическими свойствами керамики. В частности, легирование применяется при получении полупроводниковой титансодержащей керамики. Так, добавка к приводит к появлению электронной проводимости, то есть является донорной примесью. Одновременное введение оксидов , или в позволяет получать полупроводниковую керамику при пониженных температурах (на 100 – 200 К) за счет образования жидкой фазы при взаимодействии с или .

 

2.2 Гранулирование шихты

Гранулированием называют операцию, заключающуюся в придании веществу, находящемуся в виде порошка, кусков или жидкости, формы гранул (зерен), имеющих приблизительно одинаковые размеры и форму. В технологии керамики операцию гранулирования обычно используют при формовании заготовок изделий методом прессования. Негранулированные порошки исходных компонентов вследствие своей неудовлетворительной сыпучести (текучести) неравномерно заполняют пресс-форму, в результате чего при последующем прессовании при любой степени уплотнения в заготовке возникают внутренние газовые полости. Кроме того, гладкие и достаточно крупные зерна обладают хорошей текучестью и могут быть засыпаны в пресс-форму равномерно и быстро, без опасности образования крупных полостей. Таким образом, гранулирование, представляющее собой процесс изготовления из исходных порошков вторичных зерен, обладающих хорошей сыпучестью и большой плотностью, обеспечивающих значительное удаление воздуха из массы, поступающей на прессование, при массовом производстве представляет собой важную технологическую операцию. Для изготовления гранул применяют следующие способы: прессование, распылительную сушку, кристаллизацию и распыление. Наибольшее применение при массовом производстве имеют первые два способа.

2.2.1 Гранулирование прессованием

При гранулировании прессованием в порошок исходных компонентов для придания ему пластичности вначале вводят связку. В качестве связки используют крахмал, поливиниловый спирт, декстрин, восковую эмульсию и др. После введения связки проводят предварительное формование прессованием. Сформированную заготовку измельчают и пропускают через сито. Преимущество этого способа заключается в том, что он дает гранулы с плотноупакованными первичными зернами, т. е. с большой плотностью и более высокой механической прочностью. Гранулы с большой прочностью особенно необходимы при формовании крупногабаритных и сложных по форме образцов. Этот способ используется, в частности, при гранулировании шихты для изготовления изделий из ферритов.