Регистрация / Вход
Прислать материал

Получение конструкционных керамических материалов на основе карбида и нитрида кремния

ФИО
Лысенков Антон Сергеевич
Surname Name
Lysenkov
Организация
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук
Область наук
Новые материалы. Производственные технологии и процессы
Название доклада
Получение конструкционных керамических материалов на основе карбида и нитрида кремния
Project title
Production of structural ceramic materials based on silicon carbide and nitride
Резюме
Рассмотрены методы формования заготовок, методы обжига керамических материалов, а также используемые спекающие добавки для получения керамики на основе карбида и нитрида кремния.
Ключевые слова
нитрид кремния, карбид кремния, спекающие добавки
Тезисы

Нитрид и карбид кремния – одни из самых перспективных высокотемпературных материалов. 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 [1]. 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. Продолжается замена твердосплавных и других видов режущего инструмента на более эффективный керамический инструмент, т.к. керамика выгодно отличается от них, например, в области обработки чугуна или суперсплавов. 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 [2, 3].

Керамические порошки или грануляты обычно перерабатываются в объемные изделия с помощью двух- или трехэтапных технологий. Первый этап обычно предполагает прессование или другой способ уплотнения, позволяющий получить сырую (т.e. неспеченную) заготовку достаточной прочности, для дальнейшей обработки и проведения второго этапа синтеза: спекания. В завершение, часто используется этап шлифовки или чистовой обработки. Как правило, все этапы получения керамики не прощают ошибок, т.е. привнесенные на любом из этапов дефекты или трещины, сохраняются на всех последующих этапах вплоть до конечного изделия, существенно подрывая его прочность. Поэтому на всех этапах синтеза необходимо исключительное внимание к качеству. Для получения изделий из керамических порошков существует много технологий. Основные из них: шликерное литье водных суспензий, прессование, изостатическое прессование, экструзия, горячее шликерное литье под давлением [4]

Существует несколько методов получения керамики из нитрида и карбида кремния: обжиг в среде азота без приложения давления, реакционное спекание, горячее прессование (ГП), горячее изостатическое спекание (ГИП) [3, 4]. Перечисленные методы являются наиболее применимыми в промышленности. Высокие свойства достигаются у материалов, полученных последними двумя методами, однако большая энергоемкость и невозможность получения заготовок изделий сложной формы, а также использование в качестве пресс-оснастки высокоплотного и дорогостоящего графита делает ограниченным получение материалов по этому методу. Методом реакционного спекания невозможно получить плотные материалы с пористостью меньше 5 об. %. Использование метода химического осаждения из газовой фазы приводит к получению материалов с практически теоретической плотностью, но из-за технологических сложностей затруднено их серийное производство [5]. Также существуют перспективные методы консолидации порошков: метод искрового плазменного спекания и спекание керамических заготовок в процессе самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Метод искрового плазменного спекания в настоящее время широко применяют в лабораторных исследованиях, но поскольку спекание порошкового материала осуществляется путем пропускания тока через графитовые пуансоны пресс-формы, следовательно, данная технология имеет ограничения, как по типу спекаемых порошков, так и по размеру и форме получаемого изделия. СВС метод обжига основан на том, что выделившееся в результате экзотеpмической реакции тепло благодаря теплопередаче нагревает соседние слои вещества, возбуждает в них реакцию и приводит к возникновению самораспространяющегося процесса горения. Данный способ пока не нашел широкого применения в производстве изделий из нитрида кремния, но имеет перспективы внедрения. Ранее были получены керамические материалы на основе нитрида кремния в режиме обжига СВС [6, 7].

В настоящее время наиболее часто для получения керамики на основе нитрида кремния используют добавки Al2O3, Y2O3, MgO, а также Y2O3 - А12O3 и оксиды редкоземельных металлов, температура обжига таких материалов составляет 1750-1800 °С. Керамика на основе нитрида и карбида кремния, полученная методом горячего прессования, с добавками Al2O3, Y2O3, MgO, Y2O3 - А12O3, характеризуется средними значениями следующих свойств: механическая прочность при изгибе при 20 °С - 700-1000 МПа, при 1300 °С - 300-500 МПа, плотность - 3,23-3,37 г/см3, пористость до 1%, трещиностойкость - 5,7-6,4 МПа-м1/2. Наибольшее уплотнение достигается за счёт применения А12O3 и МgO, благодаря образованию с их участием при спекании низковязкой стеклофазы, но одновременно эти добавки сильно снижают высокотемпературную прочность керамики из-за снижения температуры плавления и вязкости межзеренной стеклофазы. При использовании добавки Y2O3 - А12O3 достигаются наибольшие результаты при высокотемпературной прочности до 600 МПа [8]. Также применяют более легкоплавкие спекающие добавки, например алюминаты кальция. Причем, использование легкоплавкой добавки не влечет за собой снижения механических свойств, поскольку она взаимодействует с нитридом кремния, образуя сиалон. При температуре 1600 °С добавка начинает плавиться и смачивать границы зерен нитрида кремния. Затем происходит взаимодействием жидкой фазы с зернами нитрида кремния и образование Са - сиалона по границам зерен. Использование добавки СaO-Al2O3 позволит снизить температуру обжига до 1600-1650, а образующийся на границах зерен Са - сиалон позволит сохранить высокие механические характеристики материала, поскольку по стойкости к окислению превосходит нитрид кремния (Са – сиалон один из наиболее стойких к высокотемпературному окислению в ряду сиалонов), а по механическим характеристикам близок к нему. Плотность такого материала составляет 3,15-3,18 г/см3, механическая прочность при изгибе при 20 °С - 750 МПа, при 1300°С – 350 МПа, микротвердость – 17-19 ГПа [9].

Резюмируя вышесказанное, можно сделать следующие выводы. Существует множество методов формования заготовок и получения конечных изделий из карбида и нитрида кремния. Все эти методы имеют свои недостатки и достоинства. И выбор конкретного метода зависит только от поставленной цели, формы и вида изделия, а также количества необходимых изделий.

 

Список литературы

1) Гаршин А. П., Гропянов В. М., Зайцев Г. П., Семенов С. С. Керамика для машиностроения // Научтехлитиздат, 2003. 384 с.

2) Шевченко  В. Я., Баринов С. М. Техническая  керамика // М. Металлургия, 1986. 277 с. 

3) Огнеупоры и их применение // Металлургия, 1984. 446 с.

4) Химическая технология керамики / Под ред. И. Я. Гузмана. – М.: ООО РИФ “Стройматериалы”, 2003.

5) Перевислов С.Н., Чупов В.Д. Получение высокоплотных материалов на основе ультрадисперсного порошка нитрида кремния // Огнеупоры и техническая керамика, 2010, № 3, С. 17-23.

6) Лысенков А. С., Захаров А. И., Закоржевский В. В. Керамика на основе порошков нитрида кремния, полученного методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза // Стекло и Керамика, 2007, № 3, С. 17-19.

7) Лысенков А. С., Каргин Ю. Ф., Захаров А. И., Колесникова С. М., Закоржевский В. В. Получение керамики на основе порошков нитрида кремния, полученного методом СВС // Тезисы конф Успехи в химии и химической технологии, РХТУ, Том XXI, 2007. № 7 (75). C. 70-73.

8) Petzow G., Herrmann M. Silicon Nitride Ceramics // Structure and Bonding, 2002. V. 102. P. 47-167.

9) Каргин Ю.Ф., Лысенков А.С., Ивичева С.Н., Захаров А.И., Попова Н.А., Солнцев К.А. Микроструктура и свойства керамики из нитрида кремния с добавками алюминатов кальция // Неорганические материалы. 2010. Т.46. № 7. С.892-896.

Summary of the project
Considers methods forming preforms, methods firing ceramic materials used as well as sintering aids for ceramics based on silicon nitride and carbide.
Keywords
silicon nitride, silicon carbide, sintering aids