Современные проблемы химической технологии керамики

Содержание

Слайд 2

СТРУКТУРА КУРСА Модуль 1: Физическая химия высокотемпературного уплотнения (спекания) 1 семестр,

СТРУКТУРА КУРСА

Модуль 1: Физическая химия высокотемпературного уплотнения (спекания)
1 семестр, 36

ауд. – 36 самост., 2 контрольные работы + курсовая работа, зачет с оценкой;
Модуль 2: Проблемы прочности высокотемпературных функциональных материалов
2 семестр, 36 ауд. – 36 самост., 2 контрольные работы + курсовая работа, зачет с оценкой;
Модуль 3: Высокотемпературные функциональные материалы со специальными свойствами
3 семестр, 18 ауд. – 18 самост., 1 контрольная работа, 1 «кейс», экзамен.

Современные проблемы – ВО_04 – 2017/18

Слайд 3

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК Основной Бакунов В.С., Беляков А.В., Лукин Е.С., Шаяхметов У.Ш.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК Основной

Бакунов В.С., Беляков А.В., Лукин Е.С., Шаяхметов У.Ш.
Оксидная керамика: спекание

и ползучесть. Учеб. пособие. –
М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2007. 584 с.
Макаров Н.А., Лемешев Д.О. Физическая химия спекания. Учеб.
пособие. – М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2015. [Эл. ресурс].
Гегузин Я.Е. Физика спекания. – М.: Наука, 1984. 312 с.
Ивенсен В.А. Кинетика уплотнения металлических порошков при спекании. – М.: Металлургия, 1971. 272 с.
Ивенсен В.А. Феноменология спекания и некоторые вопросы
теории. – М.: Металлургия, 1985. 248 с.

Современные проблемы – ВО_04 – 2017/18

Слайд 4

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК Дополнительный Гегузин Я.Е. Почему и как исчезает пустота. –

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК Дополнительный

Гегузин Я.Е. Почему и как исчезает пустота. – М.: Наука,

1986. 208 с.
Гегузин Я.Е. Живой кристалл. – М.: Наука, 1981. 194 с.
Бокштейн Б.С. Атомы блуждают по кристаллу. – М.: Наука, 1984. 208 с.
Беляков А.В. Химические методы получения керамических порошков. Учеб. пособие. – М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2001. 32 с.

Современные проблемы – ВО_04 – 2017/18

Слайд 5

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ПРОЦЕССОВ По геометрическому признаку условно - на три стадии На

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ПРОЦЕССОВ

По геометрическому признаку условно - на три стадии
На первой стадии:

взаимное припекание частиц, увеличение площади контактной поверхности и в ряде случаев сближение центров. Частицы сохраняют свою индивидуальность; сохраняется понятие “контакт”.
На второй стадии: совокупность двух непрерывных фаз: вещества и пустоты. Индивидуальные поры не сформировались, контакты между частицами исчезли и границы между элементами структуры расположены безотносительно к расположению между исходными частицами.
На заключительной стадии: наблюдаются внутрикристаллические и межкристаллические поры.

Современные проблемы – ВО_04 – 2017/18

Слайд 6

ДОПУЩЕНИЯ Последовательное строгое математическое описание всех физико-химических (ФХ) процессов – затруднено

ДОПУЩЕНИЯ

Последовательное строгое математическое описание всех физико-химических (ФХ) процессов – затруднено (отсутствие

температурных зависимостей ФХ величин; сложная геометрии заготовки, …).
В подавляющем большинстве случаев - описание математическими моделями; отдельными явлениями, усложняющими процесс, пренебрегается.
Подробное математическое описание - для начальных и заключительных стадий спекания.
Для упрощения описания, в большинстве случаев в качестве исходной системы принимается модель, предполагающая контакт двух сферических частиц в точке. Иные случаи контакта твердых частиц неправильной формы рассматриваются особо.

Современные проблемы – ВО_04 – 2017/18

Слайд 7

ПРИПЕКАНИЕ ТЕЛ, КОНТАКТИРУЮЩИХ «В ТОЧКЕ» Возможные механизмы припекания твердых тел, контактирующих

ПРИПЕКАНИЕ ТЕЛ, КОНТАКТИРУЮЩИХ «В ТОЧКЕ»
Возможные механизмы припекания твердых тел, контактирующих в

«точке»

Современные проблемы – ВО_04 – 2017/18

Слайд 8

Схема различных механизмов припекания сфер, контактирующих при t=0 в точке x

Схема различных механизмов припекания сфер, контактирующих при t=0 в точке x

– радиус контактного круга; ΔL – изменение расстояния между центрами частиц

Современные проблемы – ВО_04 – 2017/18

Слайд 9

основное кинетическое уравнение спекания xn(t) = A(T)t, где х(t) – радиус

основное кинетическое уравнение спекания
xn(t) = A(T)t,
где х(t) – радиус площади контакта,


A(T) – характеристическая функция, конкретный вид которой зависит от температуры, геометрии и тех констант вещества частиц, которые определяют основной механизм припекания.
Функция A(T) определена для всех механизмов припекания

Современные проблемы – ВО_04 – 2017/18

Слайд 10

ДВИЖУЩАЯ СИЛА ПРОЦЕССА СПЕКАНИЯ Современные проблемы – ВО_04 – 2017/18

ДВИЖУЩАЯ СИЛА ПРОЦЕССА СПЕКАНИЯ

Современные проблемы – ВО_04 – 2017/18

Слайд 11

Закон «размеров» Задачи: Установить зависимость времени, необходимого для достижения заданной степени

Закон «размеров»

Задачи:
Установить зависимость времени, необходимого для достижения заданной степени припекания, от

линейного размера частиц при данном механизме переноса вещества в область контактного перешейка;
Установить изменение относительной роли различных механизмов с изменением линейного размера частиц.
R02 = kR01, x2 = kx1

Современные проблемы – ВО_04 – 2017/18

Величина γ имеет значения, зависящие от механизма переноса массы: вязкое течение γ = 1, перенос вещества через газовую фазу γ = 2, объемная диффузия γ = 3, поверхностная диффузия γ = 4

Слайд 12

Припекание частиц произвольной формы Современные проблемы – ВО_04 – 2017/18

Припекание частиц произвольной формы

Современные проблемы – ВО_04 – 2017/18

Слайд 13

Припекание частиц произвольной формы где a(ϕ) – функция, которая определяется формой

Припекание частиц произвольной формы
где a(ϕ) – функция, которая определяется формой частицы

и зависит лишь от угла, отсчитываемого в плоскости контакта;
α и β – константы, которые определяются формой частицы (α) и механизмом припекания (β).

Современные проблемы – ВО_04 – 2017/18

Слайд 14

ЗАЛЕЧИВАНИЕ ИЗОЛИРОВАННЫХ ПОР Зависит от свойств среды, в которой пора расположена

ЗАЛЕЧИВАНИЕ ИЗОЛИРОВАННЫХ ПОР

Зависит от свойств среды, в которой пора

расположена
В аморфном теле, где лишено смысла понятие «вакансия», пора может залечиваться вследствие вязкого течения вещества среды в полость поры

Современные проблемы – ВО_04 – 2017/18

Слайд 15

ЗАЛЕЧИВАНИЕ ИЗОЛИРОВАННЫХ ПОР В кристаллическом теле механизм залечивания поры зависит от

ЗАЛЕЧИВАНИЕ ИЗОЛИРОВАННЫХ ПОР
В кристаллическом теле механизм залечивания поры зависит от

соотношениях между линейным размером поры R и средним линейным расстоянием между источниками и стоками вакансий

Современные проблемы – ВО_04 – 2017/18

Слайд 16

ЗАЛЕЧИВАНИЕ ИЗОЛИРОВАННЫХ ПОР Современные проблемы – ВО_04 – 2017/18

ЗАЛЕЧИВАНИЕ ИЗОЛИРОВАННЫХ ПОР


Современные проблемы – ВО_04 – 2017/18

Слайд 17

Диффузионно-вязкое течение Диффузионное растворение относительная роль каждого из механизмов оказывается преобладающей

Диффузионно-вязкое течение Диффузионное растворение

относительная роль каждого из механизмов оказывается преобладающей при различных

предельных значениях безразмерного параметра γ.
где и — соответственно скорости уменьшения радиуса поры в случае механизма диффузионно-вязкого течения и механизма диффузионного растворения.
При γ>>1, т.е. когда большая пора окружена дисперсными элементами структуры, определяющим будет механизм диффузионно-вязкого течения.
При γ<<1 малая пора оказывается расположенной практически в одном блоке, преобладающим оказывается механизм диффузионного растворения.

Современные проблемы – ВО_04 – 2017/18

Слайд 18

Роль границ зерен и дислокаций в залечивании изолированной поры случай деформирование

Роль границ зерен и дислокаций в залечивании изолированной поры

случай
деформирование

зерен и перемещение их центров тяжести автоматически (самосогласованно) подстраивается к потоку вещества к поре или соответственно потоку вакансии к поглощающим их границам между зернами.
Модель, в которой выполняется условие согласованного перемещения зерен, может быть представлена в виде двух свободных зерен, на границе между которыми расположена пора. Вследствие поглощения поры границей происходит сближение центров тяжести этих зерен.

Современные проблемы – ВО_04 – 2017/18

Слайд 19

Роль границ зерен и дислокаций в залечивании изолированной поры То обстоятельство,

Роль границ зерен и дислокаций в залечивании изолированной поры

То обстоятельство,

что уменьшенной оказывается не только пора, расположенная в непосредственной близости от внешней границы образца, а все поры, которые цепочкой расположены вдоль границы, свидетельствует о том, что граница играет в данном случае роль не проводника, а поглотителя вакансий.

Современные проблемы – ВО_04 – 2017/18

Слайд 20

СПЕКАНИЕ ОДНОКОМПОНЕНТНЫХ ПОРОШКОВЫХ ПРЕССОВОК порошковая прессовка удалена от состояния термодинамического равновесия

СПЕКАНИЕ ОДНОКОМПОНЕНТНЫХ ПОРОШКОВЫХ ПРЕССОВОК

порошковая прессовка удалена от состояния термодинамического равновесия как

в связи с развитостью свободной поверхности, так и по параметрам: наличие избыточных вакансий, дефектов упаковки, дислокации, микроскопических пор внутри частиц и др.
В процессе высокотемпературного обжига прессовки одновременно с собственно спеканием происходит и залечивание дефектов кристаллической решетки.

Современные проблемы – ВО_04 – 2017/18

Слайд 21

СПЕКАНИЕ ОДНОКОМПОНЕНТНЫХ ПОРОШКОВЫХ ПРЕССОВОК Условно процесс усадки представляют в виде последовательности

СПЕКАНИЕ ОДНОКОМПОНЕНТНЫХ ПОРОШКОВЫХ ПРЕССОВОК

Условно процесс усадки представляют в виде последовательности трех

стадий.
Ранняя стадия. На этой стадии понятие «пора» лишено содержания и кинетика уплотнения в основном определяется процессами, происходящими в месте контакта частиц. В этом случае роль играет не только структурное состояние, но и геометрия частиц. Для этой стадии характерна весьма высокая скорость деформирования частиц, приводящего к усадке прессовки.

Современные проблемы – ВО_04 – 2017/18

Слайд 22

СПЕКАНИЕ ОДНОКОМПОНЕНТНЫХ ПОРОШКОВЫХ ПРЕССОВОК Промежуточная стадия. «Фаза пустоты» может быть представлена

СПЕКАНИЕ ОДНОКОМПОНЕНТНЫХ ПОРОШКОВЫХ ПРЕССОВОК

Промежуточная стадия. «Фаза пустоты» может быть представлена как

совокупность неизомерных пор с некоторым средним характерным размером R. Среднее расстояние между источниками и стоками вакансий l << R, т.е. безразмерный параметр .
Уменьшение объема каждой из пор может происходить независимо и пористая матрица в процессе спекания ведет себя как вязкая среда с постоянным коэффициентом вязкости.

Современные проблемы – ВО_04 – 2017/18

Слайд 23

СПЕКАНИЕ ОДНОКОМПОНЕНТНЫХ ПОРОШКОВЫХ ПРЕССОВОК Поздняя стадия. Вследствие залечивания искажений и процесса

СПЕКАНИЕ ОДНОКОМПОНЕНТНЫХ ПОРОШКОВЫХ ПРЕССОВОК

Поздняя стадия. Вследствие залечивания искажений и процесса рекристаллизации

безразмерный параметр изменяется до γ<<1.
Залечивание отдельной поры будет происходит вследствие ее диффузионного растворения в матрице. Важная особенность этой стадии процесса заключается в диффузионном взаимодействии между порами, делающем возможным процесс коалесценции.

Современные проблемы – ВО_04 – 2017/18

Слайд 24

Активность дисперсных порошков Идеализированная модель «активного» материала, в которой зерно представлено

Активность дисперсных порошков

Идеализированная модель «активного» материала, в которой зерно представлено совокупностью

чередующихся слоев неискаженной решетки (коэффициент диффузии D0) и тонких прослоек с повышенной диффузионной проницаемостью (коэффициент диффузии Ds).
λ0 — ширина «равновесного» слоя,
λs — ширина слоя, в котором диффузия осуществляется в меру коэффициента Ds.

Современные проблемы – ВО_04 – 2017/18

Слайд 25

Активность дисперсных порошков Приближенно эффективный коэффициент диффузии D* в направлении, совпадающем

Активность дисперсных порошков

Приближенно эффективный коэффициент диффузии D* в направлении, совпадающем с

направлением прослоек, с величинами D0 и Ds связан соотношением:
повышенная активность порошка по сравнению с «инертным» материалом может быть определена χ - фактором:

Современные проблемы – ВО_04 – 2017/18

Слайд 26

Влияние «гравитационных» и остаточных напряжений В отличие от напряжений, которые обусловлены

Влияние «гравитационных» и остаточных напряжений
В отличие от напряжений, которые обусловлены силами

поверхностного натяжения, гравитационные и остаточные напряжения распределены неравномерно, являются причиной неоднородного уплотнения заготовки и даже частичного искажения ее формы.

Современные проблемы – ВО_04 – 2017/18

Слайд 27

Влияние «гравитационных» и остаточных напряжений Влиянием силы тяжести нельзя пренебрегать, когда

Влияние «гравитационных» и остаточных напряжений

Влиянием силы тяжести нельзя пренебрегать, когда напряжения

в контактной зоне, обусловленные этой силой, сравнимы с напряжениями, обусловленными искривленностью контактного перешейка. Давление в области контактной площади, радиус которой х, при размере частиц R и пористости прессовки θ:
h – расстояние от верхнего торца заготовки до контакта;
d – плотность вещества заготовки

Современные проблемы – ВО_04 – 2017/18

Слайд 28

Влияние «гравитационных» и остаточных напряжений Давление, обусловленное искривленностью контактного перешейка: при

Влияние «гравитационных» и остаточных напряжений

Давление, обусловленное искривленностью контактного перешейка:
при значениях


влиянием силы тяжести нельзя пренебрегать

Современные проблемы – ВО_04 – 2017/18

Слайд 29

Влияние «гравитационных» и остаточных напряжений Схемы закрепления прессовок при изучении влияния

Влияние «гравитационных» и остаточных напряжений

Схемы закрепления прессовок при изучении влияния сил

тяжести на процесс спекания

Современные проблемы – ВО_04 – 2017/18

Слайд 30

Влияние «гравитационных» и остаточных напряжений Схемы закрепления образцов свободно насыпаемого порошка

Влияние «гравитационных» и остаточных напряжений

Схемы закрепления образцов свободно насыпаемого порошка

Современные

проблемы – ВО_04 – 2017/18
Слайд 31

Влияние «гравитационных» и остаточных напряжений Изменение размеров порошковых заготовок Т =

Влияние «гравитационных» и остаточных напряжений

Изменение размеров порошковых заготовок
Т = 925 °

С; t = 1 ч; ΔRB, ΔRH – радиальная усадка верха и низа заготовки

Современные проблемы – ВО_04 – 2017/18