Получение керамики на основе ультрадисперсных порошков
Введение
В условиях научно-технического прогресса
существует необходимость использования новых керамических материалов,
обладающих уникальными свойствами, не присущими ни металлам, ни синтетическим
полимерным и пластическим массам, ни традиционным видам керамики. При этом
требования к материалам становятся все более жесткими, и, кроме того, более
всеобъемлющими /1/.
Одним из достоинств порошковой металлургии
является возможность получения материалов с характеристиками, недостижимыми для
других методов изготовления. Возможность получения порошков практически любых
металлов и сплавов, с широким диапазоном размеров частиц, комбинаций любых
компонентов, многообразных способов формирования, в том числе при относительно
низких температурах, делает метод порошковой металлургии практически
незаменимым.
Особый интерес представляет керамика на основе
ультрадисперсных порошков. С уменьшением размера частиц интенсивно изменяются
все основные термодинамические и физические свойства вещества за счет вклада
энергии поверхности и дефектов структуры в общую энергию частиц: повышается
свободная энергия и силы поверхностного натяжения, снижаются температуры
плавления, испарения, начала химических реакций с окружающей средой на десятки
и даже сотни градусов, изменяются теплоемкость, электросопротивление, точки
фазовых переходов и др. Однако, получение керамики из УДП затруднительно из-за
их низкой насыпной плотности, плохой прессуемости, большой усадки при спекании
и активных рекристаллизационных процессов.
Поэтому, с точки зрения практического
применения, представляет особый интерес применение УДП в качестве активирующих
спекание и упрочняющих добавок при создании дисперсноупрочненных материалов и
получении бимодальной и полимодальной керамики.
Сохранение ультрадисперсной структуры в
компактных материалах обеспечивает увеличение их прочности, твердости,
вязкости. В УДС ускоряются не только сами диффузионные процессы, но и
гетеродиффузионный массообмен, твердофазные превращения.
1. Процессы изготовления керамических материалов
Современная керамика - это обширный класс
тугоплавких неорганических материалов, изделия из которых находят широкое
применение в быту, строительстве, и во многих отраслях современной техники /1/.
В настоящее время понятие «керамика»
воспринимается все в более широком смысле слова. Распространились такие термины
как новая керамика, тонкая техническая керамика, керамика нового поколения.
Если все твердые вещества разделить на три вида:
органические, металлические и неметаллические, то керамику следует отнести к
третьему виду. Однако она не тождественна полностью с этим видом. Так, если
исходить из периодической системы элементов Д.И. Менделеева, то твердые
неорганические материалы не ограничиваются гидридами, боридами, карбидами,
силицидами, нитридами, арсенидами, оксидами, сульфидами, халькогенидами, такими
простыми неметаллами, как бот, углерод, кремний, фосфор и др., а также их
сложными соединениями и солями оксокислот. Однако, если принять во внимание
первоначальный смысл понятия керамики, связанного с устойчивостью материала к
действию высокой температуры, то тогда почти все гидриды, нитраты и карбонаты
нельзя отнести к керамике, так как они разлагаются при температурах ниже 1000 ˚С.
Галогениды металлов и кремний, обладающие полупроводниковыми свойствами, также
нельзя назвать керамикой из-за низких жаропрочных свойств. И напротив, простые
вещества - графит и алмаз, жаропрочность которых достигает 2000 ˚С, можно
отнести к керамике.
Современная керамика включает почти все твердые
и часть газообразных элементов периодической системы. Эти элементы могут быть
использованы для создания однофазных керамических материалов на основе одного
какого-либо простого соединения, например оксида, нитрида и др., при условии их
соответствующей чистоты вплоть до спектрально чистых. Однако большая часть -
это полифазные материалы, иногда твердые растворы.
Хотя керамики значительно выигрывает в сравнении
с металлами и полимерами, однако, возможности ее не беспредельны и важно
правильно оценить целесообразность применения того или иного вида материала.
Создание новых керамических материалов и изделий
из них базируется на основных законах ряда фундаментальных наук, использование
которых служит теоретической основой синтеза керамических материалов с
заданными свойствами.
.1 Методы получения порошков
В порошковой металлургии используются частицы
таких размеров, при которых роль поверхности резко возрастает, и становится
сравнимой с ролью объемных эффектов, хотя свойства поверхности этих частиц в
основных чертах совпадают с аналогичными свойствами соответствующих массивным
материалам. В то же время на поверхности малых частиц происходит радикальная
перестройка расположения атомов и изменение типов межатомных связей по
сравнению с поверхностью массивного материала.
Таким образом, под размерными эффектами в самом
широком смысле слова следует понимать комплекс явлений, связанных с изменением
свойств вещества вследствие изменения размера частиц и одновременного
возрастания роли поверхностного вклада в общие свойства системы. По этой
причине уменьшение размера зерен рассматривается как эффективный метод
изменения свойств твердого тела.
Граница, отделяющая обычные порошки от
ультрадисперсных, весьма условна. Принято считать, что она находится ниже 0,1
мкм.
Большинство физических методов получения
ультрадисперсных материалов основано на принципе испарения исходного вещества и
последующей конденсации конечного продукта. Разнообразие методов в основном
определяется способами нагрева исходного материала: электрическим током,
высокочастотным излучением, плазмой, горением, ударной волной и др. В ряде
методов дополнительным источником тепла являются экзотермические химические
реакции, например, окисление металлов до оксидов.
Изолированные наночастицы обычно
получают испарением металла, сплава или полупроводника при контролируемой
температуре в атмосфере инертного газа низкого давления с последующей
конденсацией пара вблизи или на холодной поверхности. Это самый простой способ
получения нанокристаллических порошков. В отличие от испарения в вакууме, атомы
вещества, испаренного в разреженной инертной атмосфере, быстро теряют
кинетическую энергию из-за столкновений с атомами газа и образуют кластеры.
Нанокристаллические порошки оксидов 
, 
, 
получали испарением оксидных
мишеней в атмосфере гелия, магнетронным распылением циркония в смеси аргона и
кислорода, контролируемым окислением нанокристаллитов иттрия. Для получения
высокодисперсных порошков нитридов переходных металлов использовали
электронно-лучевой нагрев мишеней из соответствующих металлов, испарение
проводили в атмосфере азота или аммиака при давлении 130 Па.
Обычный способ получения наночастиц
с помощью коллоидных растворов заключается в их синтезе из исходных реагентов
раствора и прерывания реакции в определенный момент времени, после чего
дисперсная система переводится из жидкого коллоидного состояния в дисперсное
твердое. Для получения коллоидных частиц оксидов используют гидролиз солей
металлов. Например, нанокристаллические оксиды титана, циркония, алюминия,
иттрия можно получить гидролизом соответствующих хлоридов или гипохлоридов.
Тонкодисперсный оксид титана получают также гидролизом титанил-сульфата с последующим
прокаливанием аморфного осадка при 1000-1300 К. Для стабилизации коллоидных
растворов во избежание коагуляции наночастиц используют полифосфаты, амины,
гидроксильные ионы.
Золь-гель способ получения
ультрадисперсных порошков интересен как низкоэнергетический, позволяющий
использовать широкий набор исходных веществ различной природы /2/. Размеры
частиц дисперсной фазы золя, формирующегося в процессе синтеза, зависят от
природы и концентрации исходного соединения в растворе, состава дисперсионной среды,
условий протекания гидролиза. Частицы золя оксида алюминия, полученные в данных
реакциях, имеют различные структуры вследствие различных механизмов реакций
гидролиза.
Оксид алюминия традиционно получают
при горении алюминия и при прокаливании гидроокиси алюминия или солей алюминия
с летучими кислотами в виде белого аморфного, нерастворимого в воде, а после
сильного прокаливания - и в кислотах, порошка /3/.
Также оксид алюминия получают
термическим разложением гидроксида. Последний в зависимости от условий синтеза
формируется в разных модификациях (аморфного, псевдобемита, бемита, байерита,
гидралгилита), которые различаются по химическому составу и кристаллической
структуре /4/.
Единственным известным методом
получения 
в
ультрадисперсном состоянии является дробление крупного порошка корунда в
высокоэнергетический планетарных мельницах /5/. Однако как для сухого, так и
для влажного помола существует предельный размер, при достижении которого
начинается обратная агрегация частиц. Решить эту проблему удалось за счет
применения химически инертного к 
вещества, предотвращающего спекание
частиц в процессе помола.
В /6/ описан плазмохимический синтез
наночастиц оксида алюминия со средним размером 10-30нм. Из результатов этой
работы следует, что образование нанопорошков оксида алюминия с минимальным
размером частиц достигается при взаимодействии паров металла с кислородом
воздуха в условиях интенсивного вдувания воздуха, за счет чего происходит
быстрое снижение температуры. Интенсивное охлаждение не только тормозит рост
частиц, но и увеличивает скорость образования зародышей конденсированной фазы.
Плазмохимический синтез с окислением частиц алюминия в потоке
кислородосодержащей плазмы приводит к образованию более крупных частиц оксида
по сравнению с окислением предварительного полученного пара металла.
Алкоксидный способ получения
ультрадисперсных порошков оксида алюминия /2/, который характеризуется наряду с
достоинствами и рядом недостатков, включающих высокую стоимость исходного сырья
и получение первичных частиц золя состава AlOOH со
структурой бемита, имеющего пониженную реакционную активность в процессе
твердофазного синтеза и спекания. Альтернативный вариант получения
ультрадисперсных порошков - гидролиз солей металлов - является более дешевым.
Ударноволновой метод получения
ультрадисперсных порошков в последнее время получил достаточно широкое
распространение. Ударные волны - уникальный инструмент воздействия на вещество,
который характеризуется высокими значениями параметров (давление, температура,
степень сжатия), реализующимися в материале за предельно малые времена (~10-6с).
Ударная волна одновременно создает условия как для синтеза конечного продукта,
так и для его диспергирования.
Наибольшее распространение в
настоящее время получил синтез нанопорошков во взрывной камере. В /7 - 9/
описан синтеза различных морфологических форм углерода и нанопорошков оксидов Al, Mg, Ti, Zr, Zn. Слой
исходного вещества (высокопористая металлическая среда, химическое соединение,
золь или гель гидроксида металла) подвергается ударно-волновому воздействию от
контактного заряда взрывчатого вещества. В ударной волне происходит сжатие и
прогрев высокопористого металла или же протекают реакции разложения исходного
соединения до оксида с последующей стабилизацией оксидных фаз. После выхода
ударной волны на свободную поверхность исходного вещества материал разлетается
в атмосферу взрывной камеры.
Давление во взрывной камере можно
изменять.
Если в качестве исходного вещества
используются металлы, то применяется активная кислородосодержащая среда
(например, 
). В этом
случае на стадии разлета происходит горение металла с образованием
ультрадисперсного оксида.
При использовании в качестве
исходных материалов химических соединений применяется химически нейтральная по
отношению к получаемому материалу газовая или жидкая среда. Благодаря этому
происходит быстрое охлаждение вещества и стабилизируются высокотемпературные и
метастабильные кристаллические модификации.
Важно отметить, что свойства
синтезируемого порошка (размер частиц, фазовый состав и др.), зависят от
условий синтеза (отношения массы ВВ к массе порошка, вида ВВ, химического
состава газовой атмосферы взрывной камеры, давления во взрывной камере и др.).
Детонационный синтез является
наиболее экономичным и достаточно производительным из всех перечисленных
способов получения УДП. Однако, этот метод имеет ряд недостатков: полученные
порошки имеют в своем составе различные примеси; достаточно широкое
дисперсионное распределение частиц порошка по размеру.
1.2 Формование порошков
В процессе формования порошка образуется
порошковая формовка, т. е. тело с заданными формой, размерами и плотностью.
Исходный объем сыпучего материала обжатием уменьшается, и происходит
консолидация порошка.
Прежде чем приступить к прессованию порошка, его
нужно подготовить. Основными операциями при подготовке порошков к формованию
являются отжиг, классификация и смешивание.
Отжиг порошков применяют с целью повышения их
пластичности, удаления адсорбированных на поверхности частиц газов. Это делают
для улучшения уплотняемости, прессуемости, формуемости.
Затем проводят классификацию, т. е. разделение
порошков по величине частиц на фракции.
Заключительный этап подготовки порошков -
приготовление смесей. Смешивание заключается в приготовлении однородной
механической смеси из порошков различного химического и (или)
гранулометрического состава.
Подготовленный порошок подвергают прессованию.
Прессование представляет собой формование порошка в пресс-форме под
воздействием давления.
Сущность процесса прессования порошка
заключается в уменьшении его начального объема обжатием, тогда как при
деформировании компактного материала его объем остается постоянным (изменяются
только геометрические размеры). Объем порошкового тела при прессовании
изменяется в результате заполнения пустот между частицами за счет их смещения и
пластической деформации.
Существуют различные способы прессования /10/:
) изостатическое прессование - уплотнение
порошка в эластичной или деформируемой оболочке в условиях всестороннего
сжатия. В результате получают крупногабаритные прессовки с большим отношением
длины к диаметру. Этот способ имеет свои недостатки: трудно выдержать размеры
брикетов близкими к заданным и необходимо применять механическую обработку при
изготовлении изделий, точных по форме и размерам;
) мундштучное формование - продавливание порошка
через отверстие, определяющее форму и размеры поперечного сечения получаемой
заготовки. Таким способом получают прутки, трубы, уголки и другие большие по
длине изделия с равномерной плотностью из плохо прессуемых материалов.
) прокатка порошков (холодная и горячая)- это их
формование в прокатном стане. Прокатку порошков применяют для получения заготовок
из конструционных, электротехнических, фрикционных и антифрикционных
материалов, а также при производстве фильтров, электрохимических электродов и
др. пористых изделий.
) шликерное - основано на использовании
жидкоподвижного состояния массы, разогретой до необходимой температуры, и
способности этой массы при приложении небольших давлений заполнять полость
металлической формы. При охлаждении шликера в форме образуется изделие
(полуфабрикат) соответствующей конфигурации. Шликер - смесь порошка с термопластичным
пластификатором (временной связки). В качестве временной связки используют:
термореактивные органические смолы (иногда в смеси с термопластичными),
термопластичные органические пластификаторы. Связка удаляется из изделия в
специальных засыпках при 700 - 1200 ˚С. Таким способом можно получить
изделия сложных форм, мало- и крупногабаритных, полых с равномерной толщиной
стенок, с равномерной плотностью по объему, с высокой чистотой поверхности и
точных размеров.
) вибрационное формование. Применение вибрации
при засыпке, утряске или в процессе прессования позволяет значительно уменьшить
давление прессования и повысить равномерность распределения плотности в деталях
сложной формы. Вибрация наиболее эффективна при уплотнении порошков, состоящих
из частиц различного размера.
) горячее прессование - прессование порошка или
порошковой формовки при температуре, превышающей температуру рекристаллизации
основного компонента. При горячем прессовании процессы прессования и спекания
совмещаются в одной операции, что может быть использовано для изготовления
плотных изделий из большого класса материалов, для которых применение других
методов затруднительно или даже невозможно. В отличие от холодного прессования
выдержки под давлением при горячем прессовании значительно увеличиваются, что
необходимо для прохождения процесса спекания, время которого при наличии
внешнего давления в свою очередь значительно сокращается. Давление прессования
снижается в несколько десятков раз по сравнению с обычным прессованием, т. к. сопротивление
материалов деформированию значительно уменьшается с увеличением температуры.
Горячее прессование широко применяют в тех
случаях, когда требуется получить более высокие физические и механические
свойства изделий: большую прочность и относительное удлинение, повышенную
твердость, лучшую электропроводность и более точные габаритные размеры.
Горячепрессованные изделия имеют, как правило, долее мелкозернистую структуру.
Горячее прессование часто является единственным методом изготовления крупных и плотных
заготовок из некоторых тугоплавких металлов, карбидов, нитридов, боридов и
силицидов переходных металлов, карбидов и нитридов бора и кремния, тугоплавких
оксидов и некоторых сульфидов. Этим методом изготавливают изделия из
рекристаллизованного графита, алмазных порошков, гексанита и других
сверхтвердых материалов на металлических и карбидных связках.
) импульсное формование представляет в данной
работе особый интерес, поскольку исследуемые образцы прессовались именно этим
способом, поэтому рассмотрение этого вопроса будет достаточно подробным.
Импульсным называют формование металлического
порошка или порошковой формовки, при котором уплотнение осуществляют ударными
волнами в интервале времени, не превышающем одну секунду. Оно возникло как
метод получения крупногабаритных прессовок из порошков малопластичных
материалов и композиций, брикетов высокой плотности, а также как результат
обоснованного стремления отказаться от использования прессов и установок
большой мощности /10/.
В качестве энергоносителя при импульсном
формовании порошков возможно использование электрогидравлического разряда
батареи высоковольтных конденсаторов через зазор в воде между двумя
электродами, энергии импульсного магнитного поля, сжатых и горючих газов и
жидкостей, а также взрывчатых веществ (ВВ). Определяющим признаком этого метода
формования является использование скоростей нагружения, превышающих скорость
продольных упругих волн, составляющую для порошков в состоянии утряски 50 - 100
м/с; в этом случае нагружение имеет волновой характер и уплотнение порошка
происходит либо за фронтом ударной волны, либо в пластических волнах сжатия.
При высоких скоростях создания давления процесс нагружения является
адиабатическим, причем локализация пластической деформации на контактных поверхностях
приводит к тому, что структура и свойства прессовок определяются воздействием
двух систем конкурирующих факторов: интенсивного пластического течения
прессуемого материала и связанного с ним деформационного упрочнения и
разрушения частиц, с одной стороны, а также тепловыделения в контактных зонах,
которое в условиях адиабатического сжатия может приводить к уменьшению
плотности дислокаций, микроискажений и других дефектов кристаллической решетки
и даже к локальному оплавлению контактов (при скоростях деформирования,
превышающих 1000 м/с). При высоких скоростях нагружения сопротивление материала
пластическому деформированию обычно возрастает.
Методы импульсного формования порошков
подразделяют на дистанционные и контактные методы. Более подробно остановимся
на последнем.
При дистанционных методах заряд метательных ВВ
(порохов) применяется для создания импульсных машин двух типов: ствольные
системы для разгона ударников; гидродинамические машины.
Контактные методы применяют главным образом при
использовании в качестве энергоносителя заряда бризантных ВВ. Взрывчатое
превращение в этом случае происходит в форме детонации - цепной экзотермической
реакции, распространяющейся во ВВ с постоянной и наибольшей для данных условий
скоростью, называемой скоростью детонации. Величина скорости детонации для
большинства промышленных ВВ лежит в пределах 3000 - 7500 м/с. Температура
продуктов взрыва достигает 3000 - 5000 К, плотность их возрастает примерно на
30 % по сравнению с исходной, а пиковое давление за фронтом детонации достигает
4 - 28 ГПа. Расширяющиеся продукты взрыва способны совершать полезную работу,
переедая импульс давления окружающей среде в виде интенсивных ударных волн,
которые по мере удаления от места взрыва затухают и превращаются в волны сжатия
малой амплитуды (акустические). Время действия импульсных давлений при взрыве
заряда бризантных ВВ не превышает обычно 5 - 9 мкс.
Исследование свойств и структуры
брикетов, плоских плит и пластин из титана, никеля, железа, композиций 
и др.
позволили установить, что прочность при сжатии, ударная вязкость, твердость и
электропроводность, а также степень искажения кристаллической решетки
(плотность дислокаций, микродеформация решетки и степень измельчения областей
когерентного рассеяния) существенно выше для брикетов взрывного прессования,
чем для брикетов той же плотности, полученных при статическом нагружении.
Определяющее влияние на структуру
прессовок оказывает скорость нагружения. По сравнению со статическим
прессованием взрывное позволяет получить большую прочность связей между
частицами, интенсивную пластическую деформацию частиц и более высокую плотность
образцов. Повышенный уровень микро- и макронапряжений часто является причиной
трещинообразования брикетов, которое можно уменьшить с помощью оптимизации
параметров взрывного прессования или предварительного нагрева контейнера с
порошком.
На рисунке 1.1 представлены типовые схемы такого
взрывного прессования.
- электродетонатор;
- основной заряд ВВ;
- контейнер с порошком;
- стальное основание;
- взрывной генератор плоской волны;
- пластина-ударник
- стальная ампула с порошком и центральным
стержнем
Рисунок 1.1 - Типовые схемы прессования порошков
зарядом ВВ нормальной плоской детонационной волной (а), тангенциальной волной
(б), метанием пластины-ударника (в) и кольцевой скользящей волной (г)
Взрывное прессование успешно применяют для таких
низкопластичных материалов, как интерметаллиды, оксиды, порошки аморфные и
микрокристаллические сплавы и др.
.3 Спекание керамики. Механизмы, реализуемые при
спекании
Спекание есть нагрев и выдержка порошковой
формовки при температуре ниже точки плавления основного компонента с целью
обеспечения заданных механических и физико-химических свойств /10/.
Спекание является одним из наиболее важных
технологических процессов, т. к. в решающей степени определяет конечные
свойства получаемых материалов и изделий. Оно представляет собой сложный
комплекс большого количества физико-химических явлений, протекающих одновременно
или последовательно при нагревании формовок или свободно насыпанного порошка.
Некоторые из этих явлений связаны с обычными эффектами влияния повышенных
температур на любое поликристаллическое тело, другие же являются специфичными
для пористых порошковых тел.
Образование достаточно прочного твердого тела из
конгломерата непрочно и временно связанных частиц или зерен − одна из
отличительных особенностей спекания. Вторая особенность − изменение
объема и пористости спекаемого тела. Кроме этих основных и характеризующих
спекание процессов при обжиге керамики возможны (но не обязательны) такие
процессы, как полиморфные превращения, процессы разложения или соединения с
образованием новых кристаллических, стекловидных и газовых фаз, рост или
растворение кристаллов и др. /5/.
Спекание − следствие переноса вещества,
происходящего в результате изменения поверхностной энергии в различных участках
системы. Перенос вещества может осуществляться различными путями.
Установленными и теоретически обоснованными являются несколько механизмов
переноса вещества при обжиге керамических материалов, следствием которых
является спекание: диффузионное (твердофазное), жидкостное, за счет испарения и
конденсации, за счет пластической деформации, реакционное.
.3.1 Твердофазное спекание
.3.1.1 Движущие силы спекания
Порошковое тело нестабильно из-за большого
избытка свободной энергии, связанного прежде всего с наличием громадной
внутренней межфазной поверхности раздела твердое тело - пора /10/. При нагреве
в порошковом теле должны происходить существенные структурные изменения, в
результате которых возрастает степень его консолидации, а свободная энергия
понижается в соответствие с термодинамическим уравнением
При спекании однокомпонентной
системы понижение свободной энергии связано с уменьшением (минимизированием)
свободной поверхности нагреваемого тела. Чем больше свободная поверхность в
исходном объекте, тем больше начальные движущие силы спекания.
В связи со значительной
дисперсностью порошков к описанию спекания прежде всего применимы классические
термодинамические уравнения капиллярности, связывающие поверхностное натяжение
(для температур спекания будем полагать несущественным различие между
поверхностной энергией и поверхностным натяжением), кривизну поверхности и
давление внутри рассматриваемого элемента нагреваемой системы.
Механическое равновесие на границе
двух фаз, разделенных неплоской поверхностью, можно оценить уравнением Лапласа
,
где 
- поверхностное (межфазное)
давление;
и 
- давление на границе раздела со
стороны соответствующей из фаз;
- удельная поверхностная энергия на
границе раздела двух фаз;
и 
- радиусы кривизны поверхностей.
Частный случай уравнения Лапласа для
сферической поверхности (
) имеет вид
,
где 
- поверхностное натяжение, для
температур спекания замена на вполне допустима.
Для спекаемого тела характерно
несколько геометрических элементов, прежде всего область межчастичного контакта
и замкнутая сферическая пора (рисунок 1.2).
а- радиус частицы;
- радиус шейки;
х - радиус сечения образующегося
контакта;
у - половина величины сближения
центров частиц;
Рисунок 1.2 - Диффузионная
двухчастичная модель спекания
Область «шейки» представляет собой
поверхность раздела двух фаз, одна из которых - твердое тело, а другая - пора,
и характеризуется двумя радиусами кривизны, обозначенными соответственно 
и 
. Применяя уравнение Лапласа можно
записать механическое равновесие на внешней поверхности «шейки»:
,
где 
- давление или напряжение в твердом
теле;
- давление со стороны поры.
В большинстве случаев размер «шейки»
очень мал и << 
, а << . Тогда
уравнение упрощается:
.
Величина 
представляет
собой растягивающее напряжение, стремящееся сдвинуть (растянуть) край «шейки» в
сторону пористости, а есть
давление газа в порах, препятствующее расширению «шейки». Если значение преобладает
над значением , контакт
может расти, т. е. межфазное давление со стороны твердой фазы и есть движущая
сила процесса роста межчастичных контактов. В большинстве случаев пористость
спекаемого тела в период роста «шеек» является открытой и значение эквивалентно
давлению атмосферы спекания (0,1 МПа), а величина обычно
очень мала. Поэтому в начале спекания следует ожидать значительной движущей
силы (
); она тем
больше, чем выше поверхностное натяжение и меньше размеры шейки. С ростом шейки
и увеличением ее радиуса , т. е. по
мере протекания спекания, движущая сила уменьшается. Механическое равновесие
межфазных давлений для поры радиусом 
можно определить по формуле
.
Здесь величина 
представляет
собой напряжение, стремящееся уменьшить поверхность поры путем уменьшения ее
размера. Усадка возможна, если ее напряжение больше, чем давление газа в поре ( > ). В этом
случае движущей силой усадки изолированной сферической поры является величина 
, которую
можно рассматривать как сжимающее напряжение, действующее на межфазную границу
со стороны твердого тела в области, окружающей пору.
Предположить величину в каждом
отдельном случае очень трудно. С одной стороны, в результате увеличения
температуры, уменьшения объема поры, образованием паров воды в связи с восстановлением
оксидов на поверхности поры, испарения вещества и т. п. эта величина может быть
больше 0,1 МПа. С другой стороны, вследствие возможного окисления, диффузии
газов из поры и других причин давление газа в замкнутой поре может быть меньше
0,1 МПа. Отметим, что большая величина вполне возможна и рассматриваемая
движущая сила будет увеличиваться с увеличением поверхностного натяжения и
уменьшением начального размера поры. Разница давлений со стороны твердого тела
и поры, вызванная поверхностным натяжением и связанная с кривизной поверхности,
может быть использована, чтобы показать существование еще двух движущих сил
спекания. С поверхностным натяжением и кривизной при помощи уже известного
уравнения Лапласа может быть связано и давление пара над поверхностью твердого
вещества. Для геометрии шейки, рассмотренной выше, уравнение записывают
следующим образом:
,
где 
- давление пара над изогнутой
поверхностью;
- давление пара над плоской
поверхностью;
- об;ъем атома или молекулы
вещества;
- газовая постоянная;
- температура.
Если, как обсуждалось выше,
пренебречь величиной 
, то
предыдущее уравнение упрощается:
.
Знак «минус» при прочих
положительных членах уравнения означает, что давление пара над вогнутой
поверхностью шейки меньше, чем над плоской поверхностью. На некотором же
расстоянии над областью шейки, над выпуклой поверхностью частиц,
соответствующее уравнение будет иметь вид
.
Подобно предыдущему это уравнение
показывает, что давление пара над выпуклой поверхностью больше, чем над
плоской. Другими словами, равновесное давление пара над выпуклой поверхностью
частиц больше, чем над вогнутой поверхностью шейки. Аналогичные рассуждения
справедливы и для любых других поверхностей разной кривизны.
Описанная разница в давлении паров
вещества над поверхностями различной кривизны представляет движущую силу
механизма его переноса через газовую фазу. Эта движущая сила увеличивается с
возрастанием поверхностного натяжения и кривизны поверхности и уменьшается по
мере протекания спекания.
Существует также зависимость между
концентрацией вакансий и кривизной поверхности. Равновесная концентрация
вакансий в любом кристаллическом теле характерна для районов, не прилегающих к
внутренним и наружным межфазным поверхностям, и определяется абсолютной
температурой (резко увеличивается с температурой) и термодинамическими
характеристиками материала.
Советским ученым Б.Я. Пинесом было
показано, что отклонение от равновесной концентрации, вызванное кривизной
межфазной границы, может быть описано с помощью того же уравнения Лапласа. Для
приконтактной области (шейки), пренебрегая величиной ,
соответствующее уравнение имеет вид:
,
где 
- концентрация вакансий вблизи
щейки;
- равновесная концентрация
вакансий; 
(
- энергия
образования вакансии).
Отсюда следует заключить, что
концентрация вакансий в районе шейки больше ее равновесного значения и
увеличивается с увеличением поверхностного натяжения и кривизны поверхности.
В некотором удалении от шейки, на
выпуклой поверхности частицы, концентрация вакансий будет такая:
,
т. е. меньше чем равновесная.
Таким образом, существует разность
между различными по расположению в объеме тела поверхностями и между
поверхностями разной кривизны. Этот градиент концентраций вакансий можно
рассматривать как движущую силу для диффузионного транспорта вещества.
Отметим, что концентрация вакансий в
спекаемом теле определяется не только поверхностным натяжением и кривизной
поверхности, но и тем обстоятельством, что общая дефектность кристаллической
решетки реальных порошков значительно превосходит равновесную, что связано с
особенностями их получения.
Рассматриваемая движущая сила
уменьшается с прогрессом спекания, поскольку уменьшается градиент концентрации
вакансий между различными участками спекаемого тела.
Вблизи изолированной сферической
поры радиусом концентрация
вакансий будет
определяться так:
,
т. е. в твердом веществе вблизи
замкнутой поры концентрация вакансий выше равновесной и увеличивается с
уменьшением размера поры.
Таким образом, между районами
спекаемого тела, удаленными от поверхностей мелких сферических пор, и этими
поверхностями, а также между соседними порами разного размера существуют
градиенты концентраций вакансий, которые также являются движущими силами
диффузионных транспортных механизмов.
Наконец следует отметить, что
концентрация вакансий кристаллической решетки вблизи межзеренных границ,
находящихся под напряжением 
, может значительно отличаться от
равновесного значения :
,
где - напряжение, действующее на межзеренной
границе (положительное в случае растягивающего и отрицательное в случае
сжимающего усилия).
Это значит, что существует градиент
концентраций вакансий между границами зерен, находящимися под разными по
величине или знаку напряжениями. Этот градиент внутри отдельных частиц
представляет движущую силу для механизма переноса вещества, связанного с
процессом диффузионной ползучести.
1.3.1.2 Стадии процесса спекания
С момента начала нагрева в спекаемом порошковом
теле наблюдаются многочисленные изменения, которые продолжаются вплоть до его
охлаждения. Продолжительность выдержки при нагреве (наиболее важного этапа
спекания) обычно зависит от требований, предъявляемым к конечным свойствам
спеченных изделий. Всю сложную последовательность происходящих при этом
процессов удобно разделить на стадии. Правда, это деление весьма условно, т. к.
в зависимости от свойств формовок и условий спекания какие-то явления будут
происходить последовательно или одновременно, перекрывая одну или несколько
стадий /10/.
По мнению Я. Е. Гегузина, спекаемое порошковое
тело на протяжении всего процесса нагрева характеризуется тремя принципиально
отличными состояниями, каждое из которых соответствует определенной стадии.
На начальной стадии происходит припекание
порошинок друг к другу, сопровождающееся увеличением площади контакта между
ними. На этой стадии каждая из них сохраняет структурную индивидуальность, т.
е. граница между ними сохраняется и с ней сохраняется понятие «контакт».
На второй стадии спекания пористое тело может
быть представлено в виде совокупности двух беспорядочно перемежающихся фаз -
фазы вещества и фазы «пустоты»; на этой стадии формирование замкнутых пор еще
не заканчивается, а контакты между частицами уже исчезают и границы между
элементами структуры оказываются расположенными произвольно, вне связи с
начальным расположением границ между исходными порошинками.
На третьей стадии в спекаемом теле в основном
имеются лишь замкнутые изолированные поры, число и общий объем которых могут
уменьшаться, приводя к уплотнению порошкового тела.
Развитие связей между частицами наблюдается в
начале нагрева материала, т. е. на самом раннем этапе спекания. Это -
диффузионный процесс, который приводит к образованию и развитию межзеренных
границ. Отметим, что связывание происходит лишь на участках, где существует
тесный физический контакт между соприкасающимися частицами. На этой стадии
спекания происходят важные изменения, которые прежде всего характеризуются
значительным увеличением прочности. Результат этой стадии - возникновение шейки.
Рост шеек контактов является естественным
продолжением процесса связывания. Он требует переноса вещества и может
осуществляться с помощью различных механизмов. Увеличение связывания приводит к
еще большему увеличению прочности спекаемого тела.
Образовавшаяся в первые моменты спекания шейка
представляет собой по существу межзеренную границу, а рост шейки соответственно
означает рост этой границы. Геометрия приконтактного участка такова, что
рекристаллизационное смещение границы, т. е. отрыв ее от острых углов по
периметру шейки, оказывается энергетически нецелесообразным, т. к. требует
увеличения ее протяженности. По мере роста шейки приконтактный угол
притупляется настолько, что становится возможным смещение межзеренных границ,
нарушается их первоначальное расположение и спекаемое тело по своей структуре
приближается к состоянию, которое Я. Е. Гегузин называет совокупностью двух
беспорядочно перемежающихся фаз - вещества и пустоты.
Закрытие сквозной пористости (поровых каналов)
характеризует значительные изменения в природе пористости спекаемого тела.
Криволинейные поровые каналы превращаются в изолированные, закрытые группы пор
или даже отдельные поры. Одной из причин образования изолированной пористости
является рост шеек, т. е. эта стадия вытекает непосредственно из предыдущей.
Сам факт увеличения количества изолированных пор означает, что общий объем пор
в спекаемом теле уменьшается и происходит усадка. Закрытие сквозной пористости
способствует возникновению новых контактов.
Сфероидизацию пор также можно рассматривать как
естественное продолжение или результат процесса роста шеек. В то время как
материал переходит в область шейки с поверхности пор, сами поры округляются,
становятся сферическими. Явление сфероидизации относится как к изолированной пористости,
так и к сообщающейся. При достаточном времени и заданной температуре вполне
возможно получить идеальные сферические поры.
Усадку изолированных пор, и конечном итоге, их
исчезновение часто рассматривают как наиболее важную стадию спекания, однако на
практике этот этап не обязательно будет происходить, т. к. лишь только при
высоких температурах и достаточно больших выдержках спекаемое тело приближается
практически к беспористому состоянию, что очень часто оказывается экономически
нецелесообразным. Когда эта стадия протекает, процесс усадки пор, приводящий к
уменьшению объема спекаемого тела, осуществляется путем движения материала в
область пор, а газ, содержащийся в порах, при этом должен путем диффузии выйти
к наружной поверхности тела. Укрупнение (коалесценция) пор (если спекание
доходит до этой стадии) заключается в уменьшении размеров и исчезновении
мелких, изолированных, обычно почти сферических на этой стадии пор и росте
крупных. Общая пористость при этом сохраняется прежней, а число пор уменьшается
при увеличении их среднего размера. Твердофазное спекание характерно для многих
видов технической керамики (например: оксидной, ферритам, титанатам).
.3.2 Жидкофазное спекание
Спекание порошка или порошковой формовки
называют жидкофазным, если его проводят при температуре, обеспечивающей
появление жидкой фазы. Жидкофазное спекание - самый распространенный случай
спекания керамики. Принято различать спекание с жидкой фазой, присутствующей до
конца изотермической выдержки при нагреве, и спекание с жидкой фазой,
исчезающей вскоре после ее появления несмотря на продолжающийся нагрев /10/.
Жидкая фаза, образовавшаяся при расплавлении легкоплавкого компонента или
легкоплавкой составляющей (например, эвтектики), облегчает развитие сил
сцепления между отдельными частицами порошка, но только в том случае, если она
их смачивает (рисунок 1.3). При плохой смачиваемости жидкая фаза тормозит
спекание, препятствуя уплотнению.
В присутствие жидкой фазы существенно
увеличивается скорость диффузии компонентов, облегчается перемещение твердых
частиц друг относительно друга. При наличии хорошей смачиваемости с появлением
жидкой фазы между твердыми частицами образуются искривленные поверхности
жидкости - мениски, на которые действуют капиллярные силы, стремящиеся сблизить
частицы. При этом можно считать, что спекаемое тело находится под равномерным
всесторонним сжимающим давлением. При хорошем смачивании жидкость проникает на
контактные участки, резко уменьшая трение между частицами и их заклинивание:
частицы сближаются, т. е. происходит усадка, скорость которой весьма высока.
r - радиус сферы;
- величина сближения сфер;
- радиус кривизны
Рисунок 1.3 - Модель жидкостного
спекания при взаимодействии жидкой и твердой фаз
В присутствии жидкой фазы, в которой
растворяется твердая фаза, интенсифицируются процессы массопереноса, а
вследствие возникновения расклинивающего давления возможно увеличение
напряжений в зоне межчастичных контактов. В результате создаются условия для
возникновения новых дефектов с повышенной подвижностью, что также резко
увеличивает скорость спекания.
Теоретическое обоснование процессов
жидкофазного спекания основано на предположении, что жидкая фаза хорошо
смачивает поверхность твердых частиц и в ограниченном количестве растворяет их.
Для сферических поверхностей
где 
и 
- соответственно растворимости
метких частиц с радиусом и крупных
частиц с радиусом 
(растворимость
частиц с плоскими поверхностями);
- удельная свободная поверхностная
энергия на границе раздела твердое тело - жидкость;
- мольный объем.
Следовательно, при спекании с жидкой
фазой мелкие частицы в большей мере растворяются в ней; благодаря меньшей
растворимости крупных частиц избыток растворенного вещества осаждается на них,
увеличивая их размеры. Этот процесс продолжается до тех пор, пока структура спекаемого
объема не станет однородной. Различают три стадии жидкофазного спекания:
) вязкое течение жидкости -
перегруппировка частиц;
) растворение - осаждение;
) образование жесткого скелета.
На рисунке 1.4 представлена
схематическая кривая уплотнения для этих трех стадий жидкофазного спекания. На
первой стадии образовавшаяся жидкая фаза заполняет поры и способствует
перегруппировке твердых частиц, что приводит к их долее плотной упаковке. На
второй стадии происходит растворение мелких частиц и осаждение на крупных
частицах вещества их расплава. Не третьей стадии происходит срастание твердых
частиц, и уплотнение подчиняется закономерностям жидкофазного спекания.
В реальном процессе жидкофазного спекания в
зависимости от природы фаз и количества жидкой фазы преобладает та или иная из
указанных стадий спекания. В общем случае скорость и степень уплотнения
увеличиваются при возрастании содержания жидкой фазы.
Однозначных заключений о влиянии размера частиц
на процесс жидкофазного спекания не имеется. Образцы из дисперсных порошков,
несмотря на худшую прессуемость, лучше спекаются и имеют более высокие
физические и механические свойства.
- жидкое течение;
- растворение и осаждение;
- твердофазное спекание
Рисунок 1.4 - Кривая уплотнения для трех стадий
жидкофазного спекания
Увеличение давления прессования исходных
порошков положительно влияет на процесс жидкофазного спекания, если при этом не
образуется большого количества замкнутых пор, недоступных для заполнения жидкой
фазой на начальной стадии спекания.
2. Керамика на основе оксида алюминия
.1 Области применения керамики основе оксида
алюминия
Благодаря высоким значениям физико-механических,
электрофизических свойств, отличной химической устойчивости корундовая керамика
широко применяется в самых различных областях техники. Электрофизические
свойства используют в электроизоляционной, радиоэлектронной и электровакуумной
технике для изготовления многих видов изделий. Ниже на основании данных /5, 11,
12/ приведены различные области применения алюмооксидной керамики.
Создание прозрачной керамики значительно
расширило области научного и промышленного применения, включая авиационную и
космическую технику.
Так как прозрачная корундовая керамика обладает
высокой просвечиваемостью, она применяется для изготовления корпусов
высокоэффективных газоразрядных ламп, а чистая корундовая керамика, обладая
высокими диэлектрическими свойствами, применяется в качестве подложек для
интегральных схем, изоляторов, подложек каркасов нагревателей радиоламп,
изоляторов для свечей зажигания, окон выводов энергии и во многих других.
Пористая корундовая керамика с пористостью до 90
% служит хорошим теплоизолирующим материалом при температурах до 1700 - 1750 ˚С.
Высокие механические свойства корундовой
керамики обусловили успешное ее применение в качестве режущего инструмента в
металлообрабатывающей промышленности, в качестве форм и пуансонов при горячем
прессовании, волочильных колец для волочения микропроволоки, фурнитуры ткацких
станков.
Высокая теплопроводность является причиной ее
использования в качестве изоляции и чехлов термопар, применяемых для измерения
температур до 1800 - 1850 ˚С.
Чистая корундовая керамика весьма
устойчива в контакте с тугоплавкими металлами - вольфрамом и молибденом, температура
начала их взаимодействия 2000 ˚С. Поэтому корундовая керамика часто
используется в качестве деталей для вакуумных печей с вольфрамовыми и
молибденовыми нагревателями. Спеченная корундовая керамика не взаимодействует
при контакте с 
- 1750 ˚С,
- до 1900 ˚С,
с 
- до 1600 ˚С
и с 
- до 1800 ˚С,
с графитом до 1750 - 1800 ˚С. Чистая спеченная корундовая керамика
устойчива к расплавленным магнию, алюминию, хрому, кобальту, никелю и олову, а
также до температуры 800 ˚С - к расплавам щелочных металлов, в том числе в
смеси со свинцом и является поэтому перспективным материалом для изготовления
тиглей для плавки этих металлов.
Чистая корундовая керамика весьма
устойчива к насыщенному водяному пору при давлениях до 30 МПа и температурах до
370 ˚С, к кипящим соляной и азотной кислотам, а также к серной кислоте до
100 ˚С. Поэтому она весьма успешно используется в качестве труб, клапанов
и деталей насосов при перекачке абразивных кислотных пульп при давлении 3,7 МПа
и температуре 135 ˚С.
Корундовая керамика весьма устойчива
к парам цезия, натрия и калия в вакууме. Она применяется для изготовления
тороидальных разрядных камер при исследовании плазм в полях высокой частоты, а
также в качестве керамических деталей в металлокерамических узлах,
применяющихся в термоэмиссионных преобразователях тепловой энергии в
электрическую, в качестве электронных ламп, электронно-лучевых трубок,
изоляторов, термовводов и др.
Изделия из корундовой керамики
обрабатываются алмазным инструментом до высокого класса точности и дают
вакуумплотные и вакуумпрочные спаи с металлом.
Корундовые огнеупоры обладают
высокими свойствами, они пригодны для разнообразных условий службы: для кладки
шахты доменных печей; стен, купола и насадки воздухонагревателей доменных и
других печей при их нагреве до 1500 - 1700 ˚С; для футеровки и насадки
газоподогревателей и других установок с весьма низким парциальным давлением
кислорода, при непосредственном воздействии углерода, метана, природного и
коксового газов и др.; в установках внепечного вакуумирования и непрерывной
разливки стали; в конструкциях вертикальных непрерывно действующих печей
высокотемпературной термообработки антрацита и других углеродистых материалов;
для печей высокотемпературного коксования; в печных конструкциях с большими
нагрузками при высоких температурах; в туннельных и других печах при рабочих
температурах до 1850˚С; в качестве шариковой насадки, катализатора и
теплоносителя; в фурменной зоне печей кипящего слоя (например для отжига
ртутных руд); в подинах нагревательных печей; в качестве мелющих тел (шары,
цилиндры) и футеровки мельниц; для замены и футеровки быстроизнашивающихся
металлических рабочих деталей машин, в том числе в огнеупорной промышленности;
в качестве абразивоустойчивых деталей и футеровки; шаровой насадки и футеровки
химических аппаратов и реакторов реформинга аммиака; в качестве футеровки
сводов высокотемпературных стекловаренных печей производства стеклошариков и
стекловолокна.
Корундовая керамика используется в
качестве деталей костных имплантантов (биокерамика) /12/.
2.2 Корундовая керамика с бимодальным
распределением частиц по размерам
Для достижения необходимых физико-механических и
эксплуатационных характеристик керамические материалы должны иметь высокую
плотность и однородную мелкозернистую структуру. Попытки получения керамики с
субмикронной зернистой структурой из ультрадисперсных порошков не всегда
оправданы вследствие технологических сложностей, либо требуют использования
дорогостоящего оборудования. Поэтому в последние годы исследователями
предпринимаются попытки использовать достоинства УДП в составе смесей с
бимодальным распределением частиц по размерам /13, 14/. при этом
предполагается, что в прессовках из бимодальных смесей пустоты между крупными
частицами заполняют мелкие частицы, размер которых на порядок меньше и
соответственно, увеличивается начальная плотность. Однако повышение прочности
прессовок не гарантирует конечного высокого качества спеченного материала.
Сточки зрения практического применения, особый
интерес представляет применение УДП в качестве активирующих спекание и
упрочняющих добавок при создании дисперсноупрочненных материалов. За счет
внедрения УДП между крупными зернами можно повысить прочностные свойства
материала (изменив характер распространения хрупкой микротрещины) и
локализовать рекристаллизационные процессы при спекании.
.2.1 Режимы взрывного прессования
При компактировании керамических порошков
соединение частиц происходит по механизму взрывного жидкофазного спекания. За
счет значительных сдвиговых деформаций и трения частиц происходит разогрев
поверхности выше температуры плавления. Количество жидкой фазы в точках
контакта определяется твердостью частиц. Заполнение пор происходит за счет
выноса материала периферийных областей частиц в поровое пространство.
Уменьшение объема этих областей при остывании приводит к возникновению
растягивающих напряжений, действующих на основной материал частиц. Наличие
жидкой фазы на поверхности при последующем охлаждении приводит к формированию
прочного каркаса в материале взрывной прессовки, что является причиной
получения достаточно высоких значений микротвердости.
Для прессования керамических порошков обычно
применяют высокобризантные ВВ: прессованный гексоген, тротил или сплавы на их
основе. В этом случае при ударном сжатии образуется достаточное количество
жидкой фазы, что способствует образованию прочного скелета между частицами,
однако часто наблюдается растрескивание материала, сопровождающее быструю
разгрузку давлений за ударной волной.
Ударно-волновое сжатие дисперсных порошков в
отличие от крупнокристаллических материалов характеризуется значительным
количеством прогретого в ударной волне вещества, выравнивание температуры до
равновесной происходит в области высоких давлений /14/.
При подборе параметров взрывного
компактирования, отвечающих требованиям получения однородного наноструктурного
компакта, были установлены существенные отличия в размерных, морфологических
характеристиках, значениях плотности и микротвердости для образцов,
различающихся исходным составом, начальной плотностью (
) и типом
применяемого ВВ /14/.
В работе /14/ обнаружили, что
уменьшение начальной плотности приводит к возрастанию тепловой составляющей
энергии ударного сжатия и увеличению времени теплового воздействия, что
приводит к укрупнению частиц. При значениях начальной плотности выше 60 %
значительного укрупнения не происходит.
Существенные отличия в
микроструктуре были выявлены авторами работы /14/ при сравнении компактов из
дисперсных порошков, отличающихся фазовым составом. При прессовании 
сохраняется
размер исходных частиц. Компакт представляет собой плотноуложенные частицы и
материал границ, прошедший через жидкую фазу, который является естественным
барьером укрупнению. Микроструктура компакта однородная, в отличие от прессовок
из 
, для
которых характерно наличие локальных областей укрупнения. При использовании в
качестве ВВ ТЭН авторами /14/ получены компакты с максимальными значениями
плотности и микротвердости ( = 3,72 г/см
, НV = 15,1
ГПа). Однако в объеме прессовки имелись трещины. Было установлено, что
значительных изменений фазового состава исходного порошка (
) после
компактирования не происходит, появляется незначительное количество 
-фазы,
наблюдается увеличение аморфного фона /14/. Последнее является следствием
гетерогенного разогрева частиц при ударно-волновом сжатии. Быстрый отвод тепла
в относительно «холодный» объем частиц приводит к аморфизации.
Таким образом, после анализа
литературных данных были сделаны следующие выводы: для получения качественного
компакта необходимым условием является высокая начальная плотность (выше 60 %
от теоретической). Предпочтительным является использование слабобризантных ВВ,
а в качестве исходных материалов более «вязких» фаз оксида (
), что
способствует формированию однородной, без трещин структуры компакта.
2.2.2 Режимы спекания (линейный и ступенчатый
Большое влияние на свойства
спеченной керамики оказывает режим спекания (линейный или ступенчатый). При
линейном режиме спекания происходит постепенный нагрев образца до заданной
температуры. При ступенчатом - образец нагревается до заданной температуры, но
при некоторых промежуточных температурах его выдерживают в течении
определенного времени. В работе /13/ применение ступенчатого нагрева
бимодальной корундовой керамики обосновано тем, что на разных стадиях спекания
(при определенных температурах) проявляются различия в механизмах массопереноса
у крупных и ультрадисперсных частиц. Выдержка образца при этой температуре
позволяет в значительной степени завершить процессы спекания по разным
механизмам массопереноса, в результате повышается качество керамики. Это
температуры, соответствующие механизму зернограничного проскальзывания (980 -
1000 ˚С), доуплотнения за счет фазового перехода (1160 - 1190 ˚С) и 
модификаций
в .
Керамика, полученная авторами /13/
по режиму ступенчатого спекания, обладает более однородной мелкозернистой
структурой, высокой плотностью, в то время как керамика, полученная из той же
смеси спеканием с линейной зависимостью кривой нагрева имеет более низкие характеристики.
При ступенчатом нагреве полностью устранить процессы рекристаллизации все-таки
не удается. Линейный нагрев со скоростью близкой к ступенчатому нагреву
приводит к интенсивной рекристаллизации зерен, сформировавшихся из УДП и, как
следствие, снижению механических характеристик. Спекание с более высокой
скоростью нагрева также не обеспечивает высоких механических характеристик,
поскольку в этом случае одновременно действуют различные механизмы
массопереноса, что приводит к разрыву связей между частицами разных фракций и
неустранимой в последствии локальной неоднородностью и дефектностью фрагментов
структуры. В случае высокой скорости нагрева, когда процесс образования зерен
из частиц УДП не успел закончиться и начался процесс контактного взаимодействия
между частицами различных фракций, появляется внутренняя пористость зерен из
частиц УДП.
2.2.3 Свойства бимодальной корундовой керамики
В работе /13/ получена корундовая
керамика с бимодальным распределением частиц по размерам. В качестве крупной
фракции использовались порошки оксида алюминия Р172SВ d
= 0,52 мкм,
форма частиц пластинчатая и «Оксидал - ГМ» d
= 2 - 3
мкм, форма частиц губчатая. В качестве мелкой фракции использовались порошки
оксида алюминия взрывного синтеза различной фазовой модификации , d ~ 90 нм,
форма частиц сферическая; 
, d = 77 нм,
форма частиц сферическая. Порошки смешивались в сухую в барабанных смесителях
периодического действия в течение 4 - 10 часов. Прессовались в жесткой
цилиндрической матрице без пластификатора при удельном давлении 200 МПа в
образцы типа таблеток. Содержание УДП в смесях варьировалось от 0 до 100 %
масс. Спекались образцы традиционным для керамики методом - линейный нагрев до
температуры 1600 ˚С, а также поэтапным ступенчатым спеканием.
Исходным и необходимым условием
получения плотной керамики из смесей с бимодальным распределением частиц по
размерам является максимально плотная упаковка частиц разного размера в
прессовке. Изменение размеров частиц крупной и мелкой фракций, естественно,
будет приводить к изменению областей оптимальных добавок УДП в составе смеси.
Авторами /13/ был поведен расчет плотности упаковки керамики с бимодальным
распределением частиц по размерам. Теоретический расчет подтвердился на
практике. Кривые зависимости различных параметров от содержания дисперсной
добавки имеют ярко выраженные экстремумы в диапазонах 5 - 10% масс. и 25 - 30 %
масс.
Наиболее высокие физико-механические
характеристики керамики в рабате /13/ были получены по режиму ступенчатого нагрева
из бимодальной смеси со следующим составом: 30 % мелкой фракции; 5 - 10 %
мелкой фракции. У первого состава (30 %), физико-механические характеристики
очень высокие, микротвердость и размер зерна резко отличаются от соседних
значений, что дает основание сомневаться в их истинности. Некоторые свойства
второго состава приведены в таблице 2.1.
В работе /14/ тоже была получена
корундовая керамика с бимодальным распределением частиц по размерам. В качестве
исходных материалов использовались порошок марки Р172SВ (d = 0,5 мкм)
и наноразмерные порошки оксида алюминия различного фазового состава (, -модификаций).
Исходные материалы помещались в медные цилиндрические ампулы и механически
подпрессовывались. С целью частичного удаления адсорбированных газов и воды
порошки отжигались в открытых ампулах при температуре 600 ˚С. Затем
проводили взрывное прессование. В качестве ВВ использовали аммонит 6ЖВ и ТЭН.
После подрыва медь стравливали азотной кислотой. Спекание проводили ступенчато
в микроволновой печи. Ниже на рисунке 2.1 представлены кривые зависимости
плтности и микротвердости /14/ от содержания дисперсной добавки. Оптимальным, с
точки зрения физико-механических свойств, авторы посчитали следующий состав: 10
% мелкой фракции, остальное - крупная (таблица 2.1).
Рисунок 2.1 - Зависимость свойств
керамики от состава
Таблица 2.1 - Физико-механические
свойства бимодальной корундовой керамики
|
Свойства
|
Содержание
мелкой фракции, %
|
Образцы,
полученные холодным прессованием
|
Образцы,
полученные взрывным прессованием и микроволновым спеканием
|
|
|
Линейное
спекеание
|
Ступенчатое
спекание
|
|
|
Размер
зерна d, мкм
|
0
5 10
|
11
9 9
|
5
6 6
|
5
- 7
|
Плотность , г/см0
,78
,79
,793,65
,78
Предел прочности при изгибе 
,МПа0
|
10------350
- 400
|
|
|
|
|
|
Твердость
по Виккерсу HV, ГПа
|
0
5 10
|
12,54
13,66 12,16
|
8,8
9,26 11,04
|
19,70
16,61 18,54
|
Трещиностойкость К
, МПа∙м
0
,81
,72
,683,33
,2
,724,62
,56
|
5,59
|
|
|
|
|
|
Модуль
Юнга Е, ГПа
|
0
5 10
|
-
|
-
|
З60
- 370
|
Коэффициент Пуассона 
0
3. Исходные материалы для получения корундовой
керамики, дисперсноупрочненной допированным хромом оксидом алюминия
.1 Порошковые продукты
В качестве исходных материалов для производства
корундовой керамики применяют главным образом безводные формы оксида алюминия,
выпускаемые промышленностью в виде технического глинозема и белого
электроплавленного корунда /5/. Безводный оксид алюминия имеет несколько
кристаллических модификаций.
Использование флотационного отхода глиноземного
производства в качестве исходного материала делает производство керамики
экономически выгодным.
В таблицах 3.1 и 3.2 приведена характеристика
порошка глинозема, используемого в данной работе для получения керамики.
Таблица 3.1 - Фазовый состав порошка
глиноземного производства
|
Вид
отхода
|
Потери
при прокаливании, %
|
Фазовый
состав
|
Флотационный 9,8 Основной
состав: аморфное вещество 
Таблица 3.2 - Гранулометрический состав порошка
|
Диапазон
размеров частиц, мкм
|
|
1,5
|
2,0
|
3,0
|
4,0
|
6,0
|
8,0
|
12
|
16
|
24
|
32
|
48
|
64
|
|
Содержание
частиц с размерами мельче указанных, %
|
|
11
|
16.1
|
24,3
|
35,2
|
66,3
|
76,8
|
91,5
|
96,0
|
99,4
|
99,4
|
99,4
|
100
|
|
Медианный
диаметр 5,2 мкм
|
3.2 Ультрадисперсный допированный хромом оксид
алюминия взрывного синтеза
.2.1 Метод получения
Взрывной синтез допированного хромом
ультрадисперсного оксида алюминия проводился в герметичной взрывной камере в
атмосфере воздуха при нормальном давлении. Экспериментальная сборка (рисунок
3.1) представляла собой два коаксиальных картонных цилиндра диаметром 55 мм и
15 мм. Внутренний цилиндр заполнялся слегка подтрамбованным ВВ (ТЭН), его
окружал слой смеси алюминиевой пудры ПАП-1 насыпной плотности ρ= 0, 35 г/см3
с измельченным бихроматом аммония (
). Заряд инициировали с торца
электродетонатором.
Происходил разогрев и метание слоя
смеси в кислородсодержащую атмосферу взрывной камеры, сопровождающееся быстрым
охлаждением синтезируемого материала. Полученный в результате порошок содержит
ультрадисперсную фракцию со средним размером частиц менее 100 нм и крупную -
более микрона. При наличии кислорода в камере происходит окисление алюминия с
выделением большого количества тепла. В результате такого нагрева частиц
металла происходит разрыв покрывающей их оболочки оксида с последующим
сгоранием алюминия в паровой фазе. /15/.
Алюминиевая пудра является наиболее
подходящим исходным материалом для взрывного синтеза ультрадисперсного /16, 17/.
Средний размер частицы алюминиевой пудры ПАП -1 равен 10,6 x 6,4 x 1мкм.
Малость одного из размеров обеспечивает равномерный прогрев частицы за время
ударного сжатия. Чешуйчатая форма частиц позволяет создавать среду с высокой
начальной пористостью, что способствует реализации во фронте ударной волны
высоких температур.
Выбор бихромата аммония в качестве
допирующей добавки обусловлен тем, что при нагревании до 200 ˚С
это соединение энергично сгорает, образуя молекулы окиси хрома /3/.
В результате образуются
мелкодисперсные частицы 
. При
ударном сжатии и последующем разлете продуктов детонации ионы хрома не
внедряются в кристаллическую решетку оксида алюминия (т. е. образования
твердого раствора 
на
происходит). Они осаждаются на поверхности частиц оксида алюминия, что
подтверждено данными ЭПР.
- электродетонатор, 2 - заряд ВВ, 3
- смесь алюминиевой пудры с бихроматом аммония
Рисунок 3.1 - Экспериментальная
сборка
Масса исходного металла во всех
экспериментах составляла 30 г. При этом количество кислорода в объеме взрывной
камеры более чем в полтора раза превышало необходимое для полного окисления
алюминия.
Было синтезировано пять образцов с
различным содержанием хрома. Масса бихромата аммония в исходной смеси
составляла:
№1 - 0,5 г; №2 - 1 г; №3 - 3 г; №4 -
4 г; №5 - 5 г.
В случае предполагаемого
равномерного распределения хрома в синтезируемом порошке при максимально
возможном замещении концентрация хрома составила бы (в весовых %):
№1 - 0,29 %; №2 - 0,59 %; №3 -
1,74%; №4 - 2,3 %; №5 - 2,8 %.
3.2.2 Размерные характеристики, фазовый состав и
содержание хрома в порошках разной дисперсности
Для выявления зависимости фазового состава и
других характеристик от размера частиц порошка, водная суспензия последнего
была обработана ультразвуком. Затем синтезированный порошок был разделен
центрифугированием на три фракции различной степени дисперсности: крупную,
среднюю, мелкую.
Измерение диаметров частиц проводилось в работе
/18/ по снимкам, сделанным на электронном микроскопе. Для определения
среднечисленного размера частиц были исследованы 16 микрофотографий, общее
число частиц - 5000. Пример электронной микрофотографии приведен на рисунке
3.2.
Рисунок 3.2 - Микроэлектронная фотография
ультрадисперсного порошка оксида алюминия, допированного ионами хрома,
увеличение 50000
Последующая обработка результатов проводилась
статистическими методами. В результате построена гистограмма и подобрана
аппроксимирующая функция
,
где 
- медиана распределения,
представляющая собой такой размер частиц, по которому вся масса материала
делится на две равные доли, т.е. масса всех частиц мельче , так же как
и масса всех частиц крупнее составляет 50% общей массы
материала;
- среднеквадратичное отклонение
логарифмов размеров от их среднего значения.
Характер распределения частиц по
размерам во всех экспериментах логарифмически нормальный.
В результате были получены следующие
размерные характеристики: среднечисленный размер 0.08 мкм, дисперсия 1.8. Это
вполне согласуется с литературными данными для оксида алюминия детонационного
синтеза без допирующих добавок. На рисунке 3.3 приведено типичное распределение
по размерам ультрадисперсных частиц оксида алюминия.
Рисунок 3.3 - Распределение по
размерам частиц оксида алюминия , допированного хромом
Средний размер частиц, определенный
по электронно-микроскопическим фотографиям, составил:
в крупной фракции - 0,12 мкм;
в средней фракции - 0,10 мкм;
в мелкой фракции - 0,07 мкм.
Количество крупной, легко осаждаемой
фракции составило » 20 %. Часть
ее составляют бесформенные оплавленные частицы, которые представляют собой
агломераты из более мелких частиц. После сушки цвет крупной фракции порошка -
розовый. Мелкая фракция имеет после сушки зеленоватый оттенок.
Известно, что вид функции
распределения взаимосвязан с механизмом образования и методом получения частиц.
Если в росте частиц определяющую роль играют процессы коалесценции, их
распределение по размерам имеет логарифмически нормальный характер /18/. Исходя
из приведенного на рисунке распределения синтезированного порошка по размерам,
можно сделать вывод, что процессы коалесценции доминировали при синтезе
ультрадисперсного оксида.
Содержание хрома определялось
методом НАА. Для одного из серии образцов содержание хрома оказалось равным:
в крупной фракции - 0,71 %;
в средней фракции - 0,60 %;
в мелкой фракции - 0,0087 %.
Исследование фазового состава
полученного порошка показало, что он состоит из трех модификаций оксида алюминия:
, , .
Относительное содержание в порошке той или иной фазы определяли по
нормированной величине амплитуды максимального пика 
. Результаты
анализа фазового состава для фракций разной дисперсности одного из образцов
(синтезированного при максимальном содержании бихромата аммония в исходной
смеси) приведены в таблице 3.3. Видно, что в крупной фракции содержится
преимущественно -фаза, в
средней - -фаза, в
мелкой - -фаза.
Содержание -фазы в
средней и мелкой фракциях незначительно.
Таблица 3.3 - Фазовый состав образца
с максимальным содержанием бихромата аммония в исходной смеси
|
Фракция
|
Относительное
содержание фазы
|
|
  
|
|
|
|
Крупная
|
0,50
|
0,25
|
0,25
|
|
Средняя
|
0,05
|
0,65
|
0,30
|
|
Мелкая
|
0,05
|
0,35
|
0,60
|
В качестве модифицирующей добавки использовали
среднюю фракцию.
.2.3 Влияние хрома на свойства оксида алюминия
Анализ литературы /19 - 22/ показал, что наличие
добавки оксида хрома в корундовой керамике приводит к заметному увеличению
твердости, прочности, замедлению рекристаллизационных процессов. На основании
данных /23, 24/ проведено сравнение различных свойств монокристаллов чистого
оксида алюминия (корунда) и оксида алюминия, содержащего ионы хрома (рубина).
Результаты сравнения приведены в таблице 3.4 и 3.5.
Таблица 3.4 -Свойства рубина и корунда
Вещество
|
|
Корунд
|
Рубин
|
Химический состав
|
 (от сотых
долей до 2 %)
|
|
|
|
Температура
плавления, ˚С
|
2046,5
|
2020
- 2040
|
|
Плотность,
г/см3,973,92
|
|
|
|
Твердость
по минералогической шкале Моосса, у. е.
|
9
|
9
|
Таблица 3.5- Микротвердость рубина и корунда
|
Корунд
|
Рубин
|
|
Микротвердость,
МПа
|
Нагрузка,
Р∙10
НПримечаниеМикротвердость, МПаНагрузка, Р∙10
НПримечание
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
20153,4-21487,1 20447,6-20202,4
19614,0-21575,4 21575,40 196025,60 22703,2 24600±1120 196140 49035
196140 Минерал Синтетич. Синтетич. Синтетич. - положение оси
наконечника к главной оси кристалла: 
||
60˚23370,08
,02
,08
,0298070
Светло-красный
Темно-красный
Положение плоскости наблюдения:
|| оси
|
оси
|
|
|
|
Из приведенных выше данных видно,
что значительное отличие наблюдается по микротвердости (таблица 3.5). При
одинаковых условиях (нагрузка Р=98070∙10 Н-5) микротвердость
корунда составляет 19025,60 МПа, а для рубина 25253,02 МПа. Это дает основание
предполагать, что использовании в качестве модифицирующей тонкодисперсной
добавки допированного хромом оксида алюминия позволит улучшить технологические
свойства корундовой керамики.
4. Получение керамического композита
дисперсноупрочненного допированным хромом оксидом алюминия
.1 Подготовка исходных порошков и их смешивание
В качестве исходных материалов использовались
глинозем и ультрадисперсные порошки чистого оксида алюминия и оксида алюминия,
допированного ионами хрома. Выбор в качестве исходного материала допированного
хромом оксида алюминия обоснован тем, что его микротвердость выше, чем у
чистого оксида алюминия (см. таблицу 3.5). Это дает основание предполагать, что
использование в качестве модифицирующей тонкодисперсной добавки допированного
хромом оксида алюминия позволит улучшить технологические свойства получаемой
керамики.
На основании данных /13, 14/ было выявлено
наличие двух диапазонов добавок УДЧ (5 - 10 % и 25 - 30 %), соответствующих
увеличению плотности, твердости, трещиностойкости, прочности при изгибе.
Оптимальным, с точки зрения физико-механических свойств, выбран состав с
содержанием УДЧ порядка 10 % (см. пункт 2.2.3). Это связано с относительно
однородным распределением ультрадисперсных частиц по поверхности крупных
(образование поверхностно-активного слоя), что создает благоприятные условия на
начальных стадиях спекания.
На основании выше изложенного было приготовлении
5 образцов с различным процентным содержанием дисперсной добавки. Состав
образцов приведен в таблице 4.1.
Таблица 4.1 - Состав образцов керамики
|
Вид
добавки УДП
|
Номер
образца
|
|
№
1
|
№
2
|
№
3
|
№
4
|
№
5
|
|
 ,%-5110
|
|
|
|
|
|
|
 , %---10-
|
|
|
|
|
|
Масса порошка во всех образцах составила 20
грамм.
Для получения гомогенной смеси порошков разной
дисперсности образцы подвергались диспергированию. Диспергирование каждого
образца проводили на установке УЗДН-2Т с частотой 22 кГц в течение 10 минут в
этиловом спирте. Выбор жидкой фазы обоснован тем, что спирт, в отличие от воды,
не способен к агломерации частиц оксида алюминия. После диспергирования порошки
подвергали сушке в сушильном шкафу при температуре 80 ˚С. После этого
образцы растирались в ступке в течение 2 часов.
.2 Взрывное прессование
Для взрывного прессования порошков
были изготовлены стальные ампулы сохранения. Внутренний диаметр ампулы d
= 12 мм,
внешний диаметр d
= 19 мм. Высота ампулы вместе с
верхней и нижней крышками составила h = 174 мм.
Приготовленные порошки подпрессовывались в ампулах. Плотность порошка в ампулах
составила 1,5 г/см. В качестве
ВВ использовали аммонит. Был проведен расчет необходимого количества ВВ, а
именно толщины слоя ВВ. В соответствии с графиком, приведенным на рисунке 4.2
/25/, в ампуле от заряда аммонита возникает ударная волна, которая создает
давление Р ~ 90 кбар. Для случая плоского слоя порошка необходимо учитывать
ослабление амплитуды ударной волны. Для цилиндрической сборки этого можно не
учитывать.
Рисунок 4.2 - Давление при
контактных взрывах
Необходимо знать величину параметра r, который
определяется по формуле:
,
где 
- масса взрывчатого вещества;
- масса порошка.
Исходя из графика, приведенного на
рисунке 4.3 /25/, параметр r ~ 1.
Рисунок 4.3 - Зависимость параметра r от давления
Плотность взрывчатого вещества 
~ 1 г/см, плотность
оксида алюминия 
~ 1,5 г/см. Расписав
параметр r через
плотность, получим следующее:
,
где 
- толщина слоя взрывчатого
вещества;
- толщина слоя порошка.
В результате вычислений получаем,
что толщина слоя взрывчатого вещества должна быть 9 мм.
В соответствии с рассчитанным значением
толщины слоя ВВ, была сконструирована картонная цилиндрическая сборка (рисунок
4.4). В картонные цилиндры помещались ампулы, затем подпрессовывалось
взрывчатое вещество. В верхней части картонных цилиндров был продернут
детонационный шнур. Инициирование взрыва производилось электродетонатором.
Рисунок 4.4 - Экспериментальная
сборка
Обжатые в результате взрывного
прессования ампулы имели диаметр 17,3 мм. Затем ампулы обрабатывались на
токарном станке для снятия лишнего слоя металла и распиливались на
цилиндрические таблетки.
.3 Спекание образцов
Полученные образцы спекались в
муфельной печи, имеющей максимальную температуру нагрева 1200 ˚С. На
основании данных /22/ спекание смесей оксида хрома и оксида алюминия начинается
при температуре 973 К. Режим спекания ступенчатый. При температурах Т = 960,
1200 ˚С время выдержки составляло 2 часа; при температурах Т = 200, 350,
500, 650, 800, 1100 ˚С время выдержки составляло 15 минут. Выбор более
длительного времени выдержки при температурах Т = 960, 1200 ˚С связан с
тем, что они соответствуют областям смены механизмов массопереноса при
спекании.
Выбор температуры спекания 12000С
обусловлен тем, что: во-первых, с увеличением дисперсности порошка
увеличивается суммарная поверхностная энергия, контактная площадь
соприкосновения зерен и дефектность строения, что создает более благоприятные
условия спекания; во-вторых, используемая при синтезе УДП и прессовании энергия
взрыва способствует накоплению дополнительной внутренней энергии за счет
искажения кристаллической решетки.
5. Исследование полученных керамических
материалов
.1 Методики исследований образцов
У полученных образцов керамики измерялись такие
характеристики как микротвердость и плотность, а также исследовалась
микроструктура образцов и определялся средний размер зерна.
Микротвердость по Виккерсу определяли на
микротвердомере ПМТ-3 /27/ для измерения длин диагоналей отпечаток пирамидок
Виккерса применяли оптический микроскоп БИОЛАМ. Схематическое изображение отпечатка
пирамидки Виккерса представлено на рисунке 5.1. Твердость по Виккерсу (НV)
определяется как удельное давление, приходящееся на единицу поверхности
отпечатка:
,
где α - коэффициент
постоянный для данного типа индентора, в нашем случае α = 18540;
Р - нагрузка индентирования, г;
d - диагональ
отпечатка, мкм.
Рисунок 5.1 - Отпечаток пирамидки
Виккерса
Плотность полученных образцов
керамики определяли методом гидростатического взвешивания.
Оценку ошибок измерений проводили
путем расчета средних значений и определения границ доверительного интервала
/28/. При исследовании микротвердости на каждом образце проводили не менее пяти
измерений. Среднее значение определялось по формуле:
,
где 
- результат i-го измерения;
п - число измерений.
Случайная ошибка измерений может
быть оценена величиной абсолютной порешности 
, которую вычисляют по формуле
,
где t(α,п) -
коэффициент Стьюдента, зависящий от числа измерений п и доверительной
вероятности α.
Доверительную
вероятность обычно принимают α = 0,95, число измерений п не менее 11. Тогда
примем коэффициент Стьюдента t(α,п) = 2,0.
Результат представляется в виде
.
Относительную погрешность оценивали
следующим образом
.
.2 Определение
параметровконструкционной прочности
Для измерения микротвердости образцы
керамики предварительно шлифовали. Шлифование проходило вручную в несколько
стадий: шлифование на наждачной бумаге разной грубости, затем поверхность
доводилась алмазной пастой с различной грубостью.
Далее проводили измерение
микротвердости методом Виккерса. Нагрузка индентирования составила 200 г или
1,962 Н.
Измерение длин диагоналей пирамидок
проводили на оптическом микроскопе БИОЛАМ. Результаты измерения длин диагоналей
отпечатков пирамидки Виккерса, а также рассчитанные средние значения этих длин
и относительные погрешности занесены в таблицу 5.1.
Значения микротвердости приведены в
таблице 5.2.
На рисунке 5.2 изображена
микроэлектронная фотография одного из отпечатков пирамидки Виккерса. Изначально
в работе ставилась задача определения критического коэффициента интенсивности
напряжений К (по
Палмквисту). Для этого необходимо измерить длину трещин (см. рис. 5.1). Как
видно из рис 5.2, трещины отсутствуют, поэтому указанный параметр определен не
был.
Таблица 5.1 - Длины диагоналей
отпечатков пирамидки Виккерса
|
Номер
измерения
|
Образец
№1
|
Образец
№2
|
Образец
№3
|
Образец
№4
|
Образец
№5
|
|
d , мкd , мкd, мкd, мкd, мкd, мкd, мкd, мкd, мкd, мк
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1
|
76,0
|
85,5
|
85,5
|
85,5
|
76,0
|
76,0
|
76,0
|
76,0
|
57,0
|
66,5
|
|
2
|
76,0
|
85,5
|
76,0
|
76,0
|
85,5
|
76,0
|
85,5
|
85,5
|
66,5
|
66,5
|
|
3
|
85,5
|
95,0
|
66,5
|
76,0
|
76,0
|
66,5
|
76,0
|
85,5
|
76,0
|
76,0
|
|
4
|
85,5
|
85,5
|
76,0
|
85,5
|
76,0
|
66,5
|
85,5
|
76,0
|
76,0
|
76,0
|
|
5
|
76,0
|
95,0
|
76,0
|
85,5
|
85,5
|
57,0
|
85,5
|
76,0
|
66,5
|
76,0
|
|
6
|
85,5
|
95,0
|
76,0
|
76,0
|
76,0
|
76,0
|
85,5
|
76,0
|
76,0
|
76,0
|
|
7
|
66,5
|
76,0
|
76,0
|
76,0
|
76,0
|
85,5
|
66,5
|
76,0
|
76,0
|
76,0
|
|
8
|
85,5
|
85,5
|
76,0
|
76,0
|
66,5
|
85,5
|
85,5
|
76,0
|
76,0
|
76,0
|
|
9
|
95,0
|
95,0
|
76,0
|
85,5
|
76,0
|
76,0
|
76,0
|
66,5
|
66,5
|
85,5
|
|
10
|
85,5
|
85,5
|
76,0
|
85,5
|
76,0
|
76,0
|
85,5
|
66,5
|
76,0
|
76,0
|
|
11
|
85,5
|
85,5
|
66,5
|
76,0
|
76,0
|
76,0
|
85,5
|
66,5
|
66,5
|
76,0
|
|
12
|
95,0
|
95,0
|
76,0
|
76,0
|
66,5
|
76,0
|
76,0
|
76,0
|
66,5
|
76,0
|
|
13
|
76,0
|
76,0
|
66,5
|
66,5
|
76,0
|
76,0
|
76,0
|
76,0
|
|
|
|
14
|
76,0
|
85,5
|
|
|
76,0
|
85,5
|
85,5
|
76,0
|
|
|
|
15
|
95,0
|
95,0
|
|
|
76,0
|
76,0
|
76,0
|
76,0
|
|
|
|
16
|
95,0
|
95,0
|
|
|
76,0
|
85,5
|
76,0
|
66,5
|
|
|
|
17
|
76,0
|
85,5
|
|
|
76,0
|
85,5
|
66,5
|
85,5
|
|
|
|
18
|
95,0
|
95,0
|
|
|
76,0
|
76,0
|
76,0
|
66,5
|
|
|
|
19
|
95,0
|
85,5
|
|
|
76,0
|
85,5
|
66,5
|
66,5
|
|
|
|
20
|
95,0
|
95,0
|
|
|
66,5
|
76,0
|
|
|
|
|
|
21
|
104,5
|
104,5
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
22
|
76,0
|
76,0
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
23
|
85,5
|
95,0
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
24
|
95,0
|
95,0
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
d,
мк87,7±1,274,2±1,276,2±0,976,5±1,172,8±1,2
|
|
|
|
|
|
|
ε, %
|
1,37
|
1,62
|
1,18
|
1,44
|
1,65
|
Таблица 5.2 - Микротвердость образцов (при
нагрузке 1,962 Н)
|
Образец
№1
|
Образец
№2
|
Образец
№3
|
Образец
№4
|
Образец
№5
|
Содержание модифицирующей добавки - 5%
Аl
Сr
О
1%
АlCrО10%
АlО10%
|
АlCrО
|
|
|
|
|
|
Микротвердость,
МПа
|
482,373
|
673,927
|
637,973
|
633,488
|
698,940
|
Рисунок 5.2 - Микроэлектронная фотография
отпечатка пирамидки Виккерса
Из таблицы 5.2 видно, что
микротвердость корундовой керамики, содержащей в качестве модифицирующей
добавки допированный хромом ультрадисперсный оксид алюминия, заметно превышает
микротвердость образца из чистого глинозема, а также образца с добавкой УДП Аl2О без хрома.
С увеличением содержания хрома в образцах керамики увеличивается и
микротвердость.
.3 Исследование микроструктуры
Для выявления микроструктуры
образцов их поверхность после полирования подвергалась травлению в
концентрированной фосфорной кислоте. Электронные микрофотографии поверхности
протравленных образцов, выполненные на растровом электронном микроскопе РЭМ
100У, приведены на рис. 10, 11. На рис. 10 представлена микрофотография
образца, содержащего только глинозем, на рис. 11 - образца, содержащего
максимальное количество ультрадисперсной добавки с хромом. Средний размер зерна
составляет, соответственно, Столь значительное уменьшение размера зерна наряду
с увеличением микротвердости указывает что на то, что использование в качестве
модифицирующей тонкодисперсной добавки допированного хромом оксида алюминия
позволяет улучшить технологические свойства керамики, получаемой на основе Al2O3.
6. Экономическое обоснование
дипломной работы
Данная работа носит
научно-исследовательский характер. Выполняется с целью установления
возможности, целесообразности, а также путей использования выявленных свойств
исследуемой керамики в различных областях науки и техники для создания новых
материалов и изделий. Данная работа предполагает проведение дальнейших
разработок и на данном этапе не преследует получение экономической выгоды.
.1 Определение плановой себестоимости
проведения НИР
Целью планирования себестоимости
проведения НИР является экономически обоснованное определение величины затрат
на ее выполнение. В плановую себестоимость НИР включаются все затраты,
связанные с ее выполнением независимо от источника их финансирования.
Определение затрат на НИР производится путем составления калькуляции плановой
себестоимости. Она является основным документом, на основании которого
осуществляется планирование и учет затрат на выполнение НИР. Калькуляция
плановой себестоимости проведения НИР составляется на основании данных по
отдельным статьям /26/, приведенным в таблице 6.1.
Таблица 6.1 - Калькуляция плановой
себестоимости на НИР
|
Статьи
затрат
|
Пояснения
|
|
1
Материалы основные
|
Сумма
затрат на все основные материалы, а по видам показывают отдельно в «Смете на
основные материалы»
|
|
2
Материалы вспомогательные
|
Аналогично
п. 1, либо 10 % от п. 1
|
|
3
Комплектующие
|
Стоимость
всех элементов исследовательских установок (приборов и оборудования); также
включается только общая сумма, а по видам оборудования смета производится
отдельпо
|
|
4
Затраты на электроэнергию (а также другие виды энергии)
|
Стоимость
1 кВт/ч для предприятия, организации, где прводятся исследования умножается
на время работы
|
|
Статьи
затрат
|
Пояснения
|
Если
в НИР или при обработке результатов исследований применялась ЭВМ
|
|
6
Основная заработная плата исполнителей
|
Заработная
плата участвующих в НИР
|
|
7
Дополнительная заработная плата
|
10
% от п. 6
|
|
8
Отчисления на социальные нужды
|
26,2
% от (п.6 + п.7)
|
|
9
Амортизационные отчисления на
|
Для
аппаратуры стоимостью более 8 тыс. руб., иначе не определяется
|
|
10
Затраты на специальные приборы, оснастку, инструменты и т. д.
|
Аналогично
п. 1
|
|
11
Накладные расходы
|
60
% от (п.6 + п.7)
|
|
12
Прочие расходы
|
Входят
все неучтенные расходы; составляют 10 % от суммы статей (с п.1 по п.11)
|
|
13
Итог
|
Сумма
предыдущих статей с п.1 по п.12
|
|
|
|
Ниже приведен расчет затрат по перечисленным
статьям калькуляции.
.2 Затраты на сырье и материалы
Затраты на сырье и материалы включают стоимость
основных и вспомогательных материалов /26/.
В качестве основных материалов для данной работы
использовался порошок глинозема, порошок ультрадисперсного оксида алюминия,
аммонит, детонаторы, металлические ампулы, картон для конструирования
экспериментальной сборки.
Затраты на основные материалы приведены в
таблице 1.
Таблица 2 - Затраты на основные материалы
|
Наименование
материала
|
Стоимость
материала
|
|
1
Глинозем
|
0,1
кг 100
руб./кг =10 руб.
|
|
Наименование
материала
|
Стоимость
материала
|
|
2
УДП оксида алюминия
|
0,03
кг 2000
руб./кг = 60 руб.
|
|
3
Аммонит
|
0,5
кг1000
руб./кг = 500 руб.
|
|
4
Детонаторы
|
5
шт.10
руб./шт.= 50 руб.
|
|
5
Металлические ампулы
|
5
шт. 20
руб./шт.= 100 руб.
|
|
6
Картон
|
1
м 20 руб./м= 20 руб.
|
|
Итого
|
740
руб.
|
Затраты на вспомогательные материалы составляют
10 % от затрат на основные материалы, т. е. 74 рубля.
Таким образом суммарные затраты на сырье и
материалы составили
рублей.
.3 Затраты на электроэнергию
Затраты на электроэнергию рассчитываются по
формуле:
, (1)
где N -
установленная мощность оборудования, кВт;
= 0,7 - коэффициент загрузки
оборудования по времени;
= 0,8 - коэффициент загрузки
оборудования по мощности;
- стоимость электроэнергии за 1
кВт/ч, руб.;
F - время
работы оборудования, ч.
В таблице 2 сведены все затраты на
электроэнергию.
Таблица 3 - Затраты на
электроэнергию
|
Вид
используемого оборудования
|
Мощность
оборудования N, кВт
|
Стоимость
электро-энергии Ц ,Время
работы оборудования F, чСтоимость затраченной
электроэнергии Э, руб.
|
|
|
|
Диспергатор
|
1
|
0,92
|
2
|
1,03
|
|
Печь
|
4
|
0,92
|
7
|
14,43
|
|
Растровый
электронный микроскоп
|
1
|
0,92
|
5
|
2,58
|
|
Компьютер
|
0,3
|
0,75
|
450
|
56,7
|
Осветительные приборы 0,06 30,1
0,10,75
,75
,92350
,82
,8
.4 Расчет заработной платы
Заработная плата рассчитывается следующим
образом:
(2)
где З
- полная заработная плата;
З
- основная заработная плата;
З
- дополнительная заработная плата;
О
- отчисления на социальное
страхование.
Основная заработная плата включает
оплату труда и все виды доплат. В ее состав входят: оплата по тарифным сдельным
расценкам (тарифная заработная плата), доплата за работу в ночное время и
обучение учеников, премии, районные коэффициенты. Основную заработную плату
рассчитывают следующим образом /27/:
, (3)
где С
= 1776 руб. - тарифная ставка
лаборанта 9 разряда;
К= 20 % - поясной коэффициент;
К= 30 % - северные надбавки.
Заработная плата лаборанта 9 разряда
составит:
руб.
Дополнительная заработная плата 
составляет
10 % от основной и включает выплаты, предусмотренные законодательством за
непроработанное время, оплату отпусков, выплату за выслугу лет и др.:
266 руб. 40 коп.
Отчисления на социальное страхование
составляют 26,2 % (26 % - единый социальный налог, 0,2 % - тариф а обязательное
медицинское страхование и профзаболевания) от суммы основной и дополнительной
заработной платы. К этой статье относят отчисления на оплату перерывов в работе
по временной нетрудоспособности:
767 руб. 76 коп.
Таким образом полная заработная
плата составит:
3698 руб. 16 коп.
.5 Накладные расходы
В накладные включаются расходы на
управление и на хозяйственное обслуживание. По этой статье учитывается
заработная плата аппарата управления и общественно-хозяйственных служб, затраты
на содержание и текущий ремонт зданий, сооружений, оборудования и инвентаря,
расходы по охране труда, научно-техническая информация, изобретательство, и т.
д.
Величина накладных расходов Н
составляет 7 % от суммы амортизационных отчислений А, основной
заработной платы З и затрат на
расходные материалы /27/:
(4)
Так как амортизационные отчисления в
нашем случае отсутствуют, то величина накладных расходов определяется следующим
образом:
= (2664 + 814)0,07 = 243
руб. 46 коп.
.6 Себестоимость НИР
В таблице 4 приведена калькуляция
плановой себестоимости на НИР.
Таблица 4 - Калькуляция плановой
себестоимости на НИР
|
Статья
затрат
|
Расходы,
руб.
|
|
1
Материалы основные
|
740
|
|
2
Материалы вспомогательные
|
74
|
|
3
Затраты на электроэнергию
|
127
|
|
4
Основная заработная плата исполнителей
|
2664
|
|
5
Дополнительная заработная плата
|
266,4
|
|
6
Отчисления на социальные нужды
|
767,76
|
|
7
Накладные асхлды
|
243,46
|
|
8
Итого
|
4882,62
|
Т. о. на выполнение данной работы было затрачено
в общей сложности
,62 рубля.
7. Безопасность и экологичность проекта
В данном разделе рассмотрены вопросы обеспечения
безопасности при использовании электрического оборудования, а также при
проведении взрывных работ.
Задача охраны труда свести к минимальной
вероятности поражения или заболевания работающего с одновременным обеспечением
комфорта при максимальной производительности труда. Реальные производственные
условия характеризуются, как правило, наличием некоторых опасных и вредных
производственных факторов. Формирование безопасности осуществляется с помощью
двух взаимосвязанных и последовательных выполненных этапов работы: анализы
условий труда и разработки по результатам анализа методов защиты человека от
опасности. Экспериментальные работы проводились в лаборатории электронной
микроскопии ИФ СО РАН. Схема лаборатории представлена на рисунке 1.
Рисунок 6.1 - Схема лаборатории электронной
микроскопии (1 - растровый электронный микроскоп, 2 - установка для напыления
образцов, 3, 4 - рабочие столы, 5 - входная дверь, 6, 7 - окна)
7.1 Анализ потенциальных опасностей и вредностей
при экспериментальных работах
В данной работе проводили взрывное прессование
порошков с последующим высокотемпературным спеканием в муфельной печи, а также
исследование полученного материала на РЭМ. Т. о. основными опасностями при
проведении экспериментальных работ является использование взрывчатых веществ и
работа с электрическими приборами.
При работе со взрывчатыми веществами существует
опасность взрыва. К поражающим факторам взрыва относятся: ударная волна,
давление во фронте которой превышает допустимое значение; пламя и пожары;
обрушение оборудования коммуникаций, конструкций зданий и сооружений и их
осколки; выход из поврежденных аппаратов содержащихся в них вредных веществ и
присутствие их в воздухе в количествах, превышающих предельно допустимые
концентрации.
При работе с электрическими приборами существует
опасность поражения человека электрическим током. При прохождение через тело
человека электрический ток оказывает такие воздействия: термические,
электролитическое, механическое, биологические, электротравмы, электроудары.
.2 Производственная санитария
.2.1 Микроклиматические условия
Гигиенические требования к микроклимату
производственных помещений регламентируют санитарные правила и нормы СанПиН
2.2.4.548-96, которыми установлены оптимальные и допустимые нормы в зависимости
от периода года (холодный, теплый) и категории работ по уровню энергозатрат.
По уровню энергозатрат работа над дипломным
проектом относится к категории Iб
- это работы с интенсивностью энергозатрат 121-150 ккал/час (140-174 Вт),
производимые сидя, стоя или связанные с ходьбой и сопровождающиеся некоторым
физическим напряжением.
Оптимальные параметры микроклимата рабочей зоны
для данной категории работ приведены в таблице 1.
Холодный период года - период года,
характеризуемый среднесуточной температурой наружного воздуха, равной +10
С и ниже.
Теплый период - период года,
характеризуемый среднесуточной температурой наружного воздуха выше +10С.
Оптимальная температура воздуха в
лаборатории в холодный период года поддерживается центральным отоплением, в
теплый период - естественной вентиляцией лаборатории. Такие параметры как
температура поверхностей, влажность и скорость движения воздуха обеспечены
естественной вентиляции.
Таблица 6.1 - Оптимальные величины
показателей микроклимата в лаборатории
|
Период
года
|
Температура
воздуха, СТемпература
повер-тей, СОптимальная
влажность воздуха, %Скорость движения воздуха, м/с
|
|
|
|
|
Холодный
|
21
- 23
|
20
- 24
|
60
- 40
|
0,1
|
|
Теплый
|
22
- 24
|
21
- 25
|
60
- 40
|
0,1
|
Величины показателей микроклимата в лабораториях
и аудиториях, в которых проводились исследования, конструирование и остальная
работа над дипломным проектом, не превышают допустимых, поэтому дополнительные
методы обеспечения оптимальных параметров микроклимата, такие как
кондиционирование, аэрация и др. не нужны.
7.2.2 Освещение
Гигиенические требования к естественному
освещению регламентируют СНиП 23-05-95 «Естественное и искусственное
освещение».
Гигиенические требования к
искусственному освещению производственных помещений зависят от характера
зрительной работы. В лаборатории зрительные работы относятся к IV разряду,
подразряд работ а: средняя точность зрительной работы, наименьший размер
объекта различения 0,5 - 1,0 мм, контраст объекта с фоном малый. Необходимо
рассчитать общее люминесцентное освещение в помещении. По методу светового
потока было определено количество светильников и подобраны лампы с
соответствующей характеристикой. Полученные данные приведены в таблице 2. При
расчете использовались следующие данные: длинна лаборатории А=6 м; ширина Б=4
м; высота Н=3 м, площадь S=24 м; стены и потолок окрашены в светлые
матовые тона; допустимое содержание пыли в воздухе рабочей зоны менее 1мг/м. Для
освещения помещения используются светильники ЛДОР с двумя лампами в
светильнике.
Определим высоту подвеса
светильников
,
где h= 0,10 м -
расстояние от потолка до нижней кромки светильника (свес);
h
= 0,8 м -
высота рабочей поверхности от пола.
Тогда расчетная высота светильника
будет равна
м.
Наибольшее расстояние между
светильниками при их расположении по прямоугольной сетке
м.
Минимальное необходимое количество
светильников
шт.
На данное помещение необходимо три
светильника.
Необходимый световой поток одного
светильника, лм
,
где Е
- нормируемая освещенность для
четвертого разряда зрительных работ при малом контрасте и темном фоне
(подразряд а) составляет 300 лк;
К
- коэффициент запаса для
газоразрядных ламп при запыленности менее 1 мг/м равняется 1,5;
Z -
коэффициент неравномерности, примем 1,15, поскольку количество ламп выбрано
больше расчетного
- коэффициент использования
светового потока. Для его нахождения определим индекс помещения
(прямоугольного):
,
Принимаем к установке светильник
ЛДОР, коэффициенты отражения примем с учетом, что помещение не запылено, 
=70, 
=50.
Коэффициент использования светового
потока для индекса i =1,1, =70, =50
составляет 45 %, в долях единицы =0,45.
Посчитаем световой поток одного
светильника
лм.
Поскольку значение светового потока
одного светильника получается достаточно большим, то чтоб уменьшить его
увеличим количество светильников до 4. Тогда необходимый световой поток одного
светильника составит 6900 лм, а для лампы 3450 лм. Этим условиям лучше всего
подходит лампаЛДЦ-80 со световым потоком 3560 лм.
Проверим процент отклонения от
необходимого светового потока: невязка ((3560 - 3450)∙100)/3560 = 3,09 %,
что допустимо.
Т. о. необходимо 4 светильника ЛДОР
с двумя лампами ЛДЦ-80. Они расположены следующим образом по два светильника в
два ряда. Световой поток лампы 3560 лм, световая отдача 44,5 лм/Вт.
.3 Технические решения по
безопасности проведения экспериментов
.3.1 Проведение взрывных работ
При производстве взрывных работ
возможно поражение людей и механизмов вследствие разлета осколков или кусков
породы, действия воздушной ударной волны и сейсмических колебаний. Для предохранения
людей, машин и сооружений от поражения взрывом устанавливают границы опасной
зоны. Расстояние от крайней точки взрыва до границ опасной зоны называется
радиусом опасной зоны. При хранении взрывчатых веществ в укрытиях, находящихся
в непосредственной близости от места проведения взрывных работ, необходимо
соблюдать расстояния, безопасные по передаче детонации. При взрыве наружных
зарядов на поверхности земли сейсмическое действие не учитывается. Безопасное
расстояние по действию ударной воздушной волны при взрывах при допустимости
первой - третьей степеней повреждений для открытых зарядов массой менее 10 тонн
(данные условия реализуются в экспериментальной работе) определяется по
формуле:
,
где r
- ,
безопасное расстояние, м;
Q - масса
заряда ВВ, кг;
k -
коэффициент пропорциональности, значение которого зависит от расположения и
массы заряда, а также от степени допускаемых повреждений зданий и сооружений.
Для открытого заряда, в результате
взрыва которого возможны случайные повреждения застекления 
= 10 - 30,
возьмем наибольшее значение. Масса заряда Q = 1 кг. В
результате расчета получаем значение безопасного расстояния r= 30 м.
Полученное значение соответствует реальным расстояниям на взрывном полигоне,
что обеспечивает безопасность.
Расстояние, обеспечивающее
невозможность передачи детонации от взрыва на земной поверхности одного объекта
со взрывчатыми материалами активного заряда к другому такому объекту -
пассивному заряду, определяется по формуле:
,
где r -
безопасное расстояние от центра активного до поверхности пассивного заряда, м;
k - значение
которого зависит от вида ВВ и условий взрыва;
Q - масса ВВ
активного заряда, кг;
b - меньший
линейный размер пассивного заряда, м.
для открытого заряда при
использовании аммонита значение коэффициента 
= 0,8. Масса ВВ активного заряда Q = 1 кг.
Меньший линейный размер пассивного заряда b = 0,031 м.
В результате вычислений получаем значение безопасного расстояния от центра
активного заряда до поверхности пассивного 
= 0,34 м.
Персонал для взрывных работ:
руководство взрывными работами на предприятии должно возлагаться на его
руководителя или назначенного им руководителя производственного подразделения
этого предприятия. К руководству допускаются лица, имеющие законченное высшее
или среднее техническое образование, либо окончившие специальные учебные
заведения или курсы, либо получившие Единую книжку взрывника
(мастера-взрывника). Аттестация руководителей взрывными работами проходит не
реже одного раза в 3 года.
К проведению взрывных работ
допускаются лица, отвечающие требованиям ЕПБВР; мужского пола не моложе 20 лет,
имеющие Единую книжку взрывника. К самостоятельному производству работ взрывник
допускается только после месячной стажировки под руководством опытного
взрывника. Аттестация взрывников проходит не реже одного раза в 2 года.
Заведующими складами взрывчатых
материалов должны назначаться лица, имеющие право руководства или окончившие
вузы (техникумы) по специальности технологии изготовления и исследований ВВ. На
эту должность могут быть назначены взрывники, прошедшие обучение по специальной
программе и получившие соответствующее удостоверение.
.3.2 Электрический ток
В соответствии с характеристиками лаборатории,
помещение относится к II классу (c повышенной
опасностью).
Электропитание оборудования
производят от трехфазной четырехпроводной сети напряжением 380 В с
глухозаземленной нейтралью и промышленной частотой 50 Гц.
В соответствии с ГОСТ 12.1.019-79
для защиты людей от поражения электрическим током при случайном прикосновении к
токоведущим частям, находящимся под напряжением, применяем:
недоступность токоведущих частей и
линий электропередачи;
защитные ограждения;
изоляцию токоведущих частей;
изоляцию рабочего места;
малое напряжение;
предупредительную сигнализацию;
блокировку;
знаки и плакаты безопасности.
Для защиты людей от поражения
электрическим током при случайном прикосновении к нетоковедущим частям,
оказавшимся под напряжением, применяем:
зануление;
рабочее заземление;
выравнивание потенциалов;
малое напряжение;
изоляцию нетоковедущих частей;
знаки безопасности и защитные
средства.
Допустимые напряжения прикосновения
[
] не должны
превышать 2В.
Напряжение прикосновения
р,
где R -
сопротивление человека, R = 1000 Ом.
I - ток,
проходящий через тело человека, А.
,
где U
- линейное
напряжение, U = 380 В;
Rиз -
сопротивление изоляци, Rиз = 5000 Ом;
Rз -
сопротивление зазаемления, Rз = 4 Ом;
RТ -
сопротивление тела человека, RТ = 1000 Ом.
А.
В < 
=2В
Рассчитанное напряжение меньше
допустимого.
Произведем расчет заземляющего
устройства. Заземляющее устройство состоит из стержней длиной 2,5-3 мм. Стержни
изготовлены из труб. Диаметр круглого стержня 40-50 мм. Стержни соединены
сваркой стальной полосой, к ней подключены корпуса оборудования. Стержни
располагаются по периметру здания, длина соединительной полосы равна 168 м,
расстояние между стержнями 12 м.
Сопротивление грунта:
,
где 
- удельное сопротивление грунта, = 100 Ом·м;
ψ - коэффициент сезонности, для
Красноярска ψ
= 1,3.
Ом∙м
Сопротивление растекания тока с
одиночного вертикального стержневого заземлителя Rо.в., Ом:
,
где 
- длина круглого стержня, = 2,5 м;
d - диаметр
стержня, d = 0,04 м;-
расстояние от середины стержня до поверхности земли
t = H + 0,5·,
где Н - глубина, на которой
располагается второй конец стержня, Н = 0,8м.
t = 0,8 +
0,5·2,5 = 2,05 м
Ом
Предварительное количество
заземлителей
,
Подставим значения 
= 42,5 / 4 ≈
11 шт.
Сопротивление растеканию тока
соединительной полосы:
,
где b −
ширина полосы, b = 0,05 м;
H −
высота полосы, H = (40÷50)/2, мм.
Ом
Коэффициенты вертикальных стержней и
полос: 
= 0,76; 
= 0,56.
Сопротивление полосы с учетом
коэффициента использования :
,
Подставим значения 
= 
= 4,79 Ом.
Сопротивление вертикальных стержней
с учетом коэффициента использования:
Подставим значения 
=5,08 Ом.
Сопротивление группового
заземлителя:
Подставим значения 
Ом.
Уточним количество стержней:
Подставим значения 
≈
14,1 шт.
Стержни располагаются по контуру
здания (рисунок 6.2).
Схема заземляющего устройства
представлена на рисунке 6.3.
Рисунок 6.2 - Схема контурного
заземления
Рисунок 6.3 - Схема заземляющего
устройства
Токоведущие части рубильников,
выключателей, вставок плавких, клемм электродвигателей закрыты сплошными
кожухами и щитами. Применяем блокировку кожухов и рубильников. Дверки шкафов с
электрооборудованием блокированы входным выключателем. Каждая единица
оборудования имеет свой вводный включатель ручного действия, размещенный в
безопасном и удобном для обслуживания месте.
8. Обеспечение пожарной безопасности
Лаборатория электронной микроскопии по степени
пожарной опасности относится к категории «Д» (негорючие вещества и материалы в
холдном состоянии).
Возможной причиной возникновения пожаров может
быть неисправность электросети при монтаже электрооборудования, поэтому
проводку прокладывают только в стальных трубах, имеющих внутри изоляцию, а
также проводится регулярная проверка оборудования, проводки и изоляции.
В лаборатории имеются первичные средства
пожаротушения: огнетушитель углекислотный ОУ-5, огнетушитель порошковый ОПС-10,
лопаты и ящики с песком, войлочные полотна, автоматическая установка пожарной
сигнализации.
Оповещение людей о пожаре осуществляется подачей
звуковых и световых сигналов во все помещения здания.
Согласно противопожарным нормам эвакуационными
выходами счита-ются дверные проемы.
Помещение лаборатории находится на первом этаже
с одной дверью ведущей в коридор. Время эвакуации неограниченно, так как
категория про-изводства Д
Допустимое расстояние от наиболее удаленного
рабочего места до эва-куационного выхода:
,
где p −
периметр здания, м.
Для лаборатории электронной
микроскопии лазерной техники и технологии p =60 м.
Подставив значения , получим l = 11,62 м.
Для четкого и слаженного проведения
эвакуации нельзя загромождать рабочие места, проходы и проезды.
Заключение
керамика спекание ультрадисперсный
композиционный
Данная работа посвящена изучению керамических
порошковых материалов. Была изучена и проанализирована литература, касающаяся
методов получения порошков, способов их формования, реализуемых при спекании
механизмов. Подробно рассмотрены способы получения и области применения
корундовой керамики, а также ее технологические свойства.
Список использованных источников
1 Керамические материалы / Сост.
Г.Н. Масленникова, Р.А. Мамаладзе, С. Мидзуто, К. Коумото и др.; М.:
Стройиздат, 1991. - 320 с.
Дудкин Б.Н. Трансформация структуры
малых частиц оксида алюминия, полученного золь-гель способом из различных прекурсоров,
при термообработке / Б.Н. Дудкин, С.И. Канева, В.М. Мастихин, Р.Н. Плетнев. //
Журнал общей химии. - 2000. - Т. 70. вып. 12. - С. 1949-1955.
3 Реми, Г. Курс неорганической химии
/ Г. Реми. - М.: Мир, 1963. - 648 с.
Иванов А.Л. Реальная структура метастабильных
форм оксида алюминия / А.С. Иванова, Г.С. Литвак, Г.Н. Крюкова, С.В. Цыбуля,
Е.А. Паукштис. // Кинетика и катализ. - 2000. - Т. 41, №1. - С. 137-141.
Балкевич, В.Л. Техническая керамика:
Учеб. пособие для втузов / В.Л. Балкевич. - М.: Стройиздат, 1984. - 256 с.
Алексеев Н.В., Самохин А.В., Куркин
Е.Н. // Физика и химия обработки материалов. 1997. №3, С.33.
7 Белошапко, А. Г. Образование
ультрадисперсных соединений при ударно-волновом нагружении пористого алюминия.
Исследование полученных частиц. / А.Г. Белошапко, А.А. Букаемский, А.М. Ставер
// Физика горения и взрыва. - 1990. - Т.26. - №4. - С. 93-98.
Букаемский, А.А. Физическая модель
взрывного синтеза ультрадисперсного оксида алюминия / А.А. Букаемский // Физика
горения и взрыва. - 2002. - Т.38. - №3. - С. 121-126.
Белошапко, А.Г. Динамический синтез
порошков диоксида циркония / А.Г. Белошапко, А.А. Букаемский, Н.В. Губарева,
И.Г. Кузьмин, А.М. Ставер // Физика горения и взрыва. - 1993. - Т.38. - №3. -
С. 78-81.
Порошковая металлургия и напыленные
покрытия: Учебник для вузов / Сост. В.Н. Анциферов, Г.В. Бобров, Л.К. Дружинин
и др. - М.:Металлургия, 1987. - 792 с.
Кайнарский, И.С. Корундовые
огнеупоры и керамика / И. С. Кайнарский, Э.В. Дегтярева, И.Г. Орлова. - М.:
Металлургия, 1981. - 166 с.
Лукин Е.А. Применение керамики на
основе оксида алюминия в медицине / Е.А. Лукин, С.В. Тарасова, А.В. Королев //
Стекло и керамика - 2001. - № 3. - С. 28 - 30.
Зеленкова, Е.Г. Керамика на основе
оксида алюминия с бимодальным распределением частиц по размерам: Дис…канд.
техн. наук. - Красноярск, 2003. - 144 с.
Федорова, Е.Н. Получение и свойства
керамики на основе наноразмерных порошков оксида алюминия: Дис…канд. техн.
наук. - Красноярск, 2001. - 144 с.
Фролов Ю.В. Воспламенение и горение
порошкообразного алюминия в высокотемпературных газовых средах в составе
гетерогенных конденсированных систем / Ю.В. Фролов, П.Ф. Похил, В.С. Логачев //
Физика горения и взрыва. - 1972. - Т.8, №2. - С. 213-236.
Букаемский А.А. Взрывной синтез
ультрадисперсного оксида алюминия в кислородосодержащей среде / А.А.
Букаемский, А.Г. Белошапко// Физика горения и взрыва. - 2001. - Т.37, №5. - С.
114-120.
Букаемский А.А.Физико-химические
свойства порошка взрывного синтеза / А.А. Букаемский, А.Г. Белошапко, А.П.
Пузырь // Физика горения и взрыва. - 2000. - Т.36, №5. - С. 119-125.
. Физико-химические свойства
окислов: справочник / Сост. Г.В. Самсонов А.Л. Борисова, Т.Г. Жидкова и др.;
М.: Металлургия, 1978. - 472 с.
.Физический энциклопедический
словарь / Сост. А.М. Прохоров и др.; М.: Большая российская энциклопедия, 1995.
- с.
. Дерибас А.А. Физика упрочнения и
сварки взрывом / А.А. Дерибас. - Новосибирск: Наука, 1980. - 222 с.