Исследование влияния температуры спекания на плотность керамик на основе оксида циркония

МУНИЦИПАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

«ШКОЛА № 101 ИМЕНИ Е.Е.ДЕИЧ»

Исследование

влияния температуры спекания

на плотность керамик

на основе оксида циркония

Выполнила

ученица 11 «А» класса

Пудова Варвара Сергеевна

Руководитель проекта:

Ланцев Евгений Андреевич

младший научный сотрудник

НИФТИ отдел физики металлов

Учитель физики

Сиднева Вера Александровна

г. Нижний Новгород

2024 г.

Содержание

1.Введение 3

Цель и задачи 4

3. Объект исследования. 5

3.1 Цирконий 5

3.2 Основные свойства циркония. 5

4. Методы исследования 6

4.1Получение циркония через литье и резку. 6

4.2 Получение циркония с помощью формовки и спекания. 7

4.3 Какой метод выгоднее. 8

5. Материал и методики исследования. 9

5.2 Методики 10

6.Экспериментальные результаты. 11

6.1Прессование в стальной пресс-форме. 11

6.2 Измерение геометрических параметров прессованных образцов. 11

6.3. Результаты 12

7.Измерение плотности образцов. 19

8.Результаты и выводы. 19

1.Введение

Спекание - это процесс изменения физических свойств материала под воздействием высоких температур. В процессе спекания происходит компактизация и сращивание частиц материала под воздействием высокой температуры и давления. Оно позволяет создавать изделия любых форм и размеров, кроме того, спекание используется для улучшения свойств материалов, таких как повышение их плотности, твердости, термостойкости и электропроводности.

Спекание является актуальным и одним из ключевых методов получения материалов с необходимыми физическими, химическими и механическими свойствами. В различных отраслях промышленности и науки, таких как металлургия, керамика, стекольная промышленность, электроника и даже в медицине.

В работе будут проведены эксперименты по спеканию при разных температурах. Полученные данные будут проанализированы и интерпретированы с целью определения влияния условий спекания на структуру и свойства материалов.

Цель и задачи

Цель: Изучить основные принципы спекания и его влияние на структуру и свойства материалов.

Задачи:

1) Рассмотреть различные методы и технологии спекания

2) Проанализировать влияние различных параметров на конечный результат.

3. Объект исследования. 3.1 Цирконий

Оксид Циркония ( ) также известный как циркониевая керамика или цирконий, является высокоинертным и термически стойким материалом. Этот химический соединенный оксид циркония используется в различных областях благодаря своим уникальным и физическим свойствам.

3.2 Основные свойства циркония.

Цирконий - твёрдый, но легко обрабатываемый металл серебристо-белого цвета с кристаллической решёткой. Наибольшая пластичность достигается при температуре около 400 °С. Чистый цирконий имеет относительно низкую плотность и высокую твердость. Модуль нормальной упругости (модуль Юнга) циркония был определен Кестером динамическим методом при нагреве до 900° С, он получил величину модуля Юнга, равную 6950 кг/ .

Цирконий обладает высоким показателем плавления (1852 ) и высокой термической проводимостью. Эти свойства делают его ценным материалом для использования в высокотемпературных и высоконагруженных условиях.

4. Методы исследования 4.1Получение циркония через литье и резку.

Получение циркония путем литья и резки - это процесс, который используется для создания изделий и деталей из циркониевых сплавов. Цирконий является тугоплавким металлом с высокой температурой плавления (около 1855 градусов Цельсия), поэтому требуется специальное оборудование и методы для его обработки.

Литье циркония - это метод получения изделий путем заливки расплавленного циркониевого сплава в форму. Процесс начинается с заготовки, которая может быть создана с использованием различных методов, таких как литье под давлением, вакуумное литье или инжекционное литье. Затем расплавленная масса циркония помещается в форму и оставляется до полного остывания и застывания. После этого изделие извлекается из формы и подвергается дополнительной обработке, такой как шлифование, полировка или отделка.

Резка циркония - это метод обработки циркония с использованием различных инструментов и технологий для получения определенной формы или размера. Резка может осуществляться с использованием лазерного резака, станка с числовым программным управлением (ЧПУ), плазменного резака или алмазного инструмента. Каждый метод имеет свои преимущества и недостатки, и выбор метода зависит от конкретной задачи.

При резке цирконий может обрабатываться в различных состояниях, включая твердый, полутвердый или полумягкий. Также возможна резка циркония с применением воды или других охлаждающих средств для предотвращения перегрева материала.

4.2 Получение циркония с помощью формовки и спекания.

Второй способ - Формовка и спекание являются одним из методов получения циркония. В этом процессе используются специальные формы из керамики или графита, которые называются формовками. Формовки должны быть сделаны с учетом требуемой формы и размеров обрабатываемого изделия.
Первоначально производится подготовка порошка циркония. Для этого используются различные способы, такие как механическое измельчение руды или химическое осаждение. Порошок должен иметь определенные физико-химические свойства, чтобы обеспечить качество и прочность готового изделия.

Затем происходит формовка, в которой порошок циркония размещается внутри формовки. Для этого часто используется прессование – процесс, при котором порошок сильно сжимается под высоким давлением. В результате получается заготовка, имеющая нужную форму и размеры.
После формовки происходит спекание – процесс, при котором заготовка подвергается высокой температуре и давлению в специальной печи. Во время спекания порошок циркония начинает сливаться вместе, образуя однородное твердое тело. В конечном результате получается готовое изделие из циркония.
Спекание играет важную роль в формировании свойств и структуры готового изделия. Путем контроля температуры и давления во время спекания можно добиться нужных характеристик, таких как плотность, твердость и структура материала.

Полученные заготовки могут быть использованы в различных отраслях: от производства электроники до медицинских имплантатов. Цирконий обладает высокой степенью устойчивости к коррозии, а также хорошей структурной прочностью, что делает его востребованным материалом для различных приложений.

4.3 Какой метод выгоднее.

Существует несколько причин, почему формовка и спекание циркония могут быть выгоднее, чем литье и резка материала:

Качество и прочность: формовка и спекание позволяют получить более высокое качество и прочность изделий из циркония. Когда материал литья охлаждается, могут возникать микротрещины и дефекты, а при резке материала могут быть механические повреждения, которые влияют на качество и прочность конечного изделия.

Более сложная геометрия: формовка и спекание циркония позволяют создавать более сложные и уникальные формы, которые труднее или невозможно получить при литье и резке материала. Это особенно важно для производства протезов и имплантатов, где точность и соответствие анатомическим особенностям очень важны.

Экономическая эффективность: формовка и спекание могут быть более эффективными с точки зрения затрат, особенно при большом объеме производства. Литье требует создания специальных форм и использования специального оборудования, что может быть дороже и затратнее. Резка материала также требует дополнительного оборудования и рабочей силы, что также влияет на стоимость производства.

Быстрота процесса: формовка и спекание циркония обычно занимают меньше времени, чем литье и обработка материала. Это позволяет сократить время производства и увеличить производительность.

В целом, формовка и спекание циркония могут быть более выгодными методами для получения изделий из этого материала из-за их более высокого качества, возможности создания сложных форм, экономической эффективности и быстроты процесса.

5. Материал и методики исследования. 5.1 Объект исследования

П орошок циркония INNOVANO 4YSZ GB(525/1) S 812 - это высококачественный продукт, который применяется в различных отраслях промышленности, таких как медицина, электроника, аэрокосмическая промышленность и другие. Этот порошок изготовлен из 4YSZ (циркония с 4% иттрия) и обладает высокой прочностью, износостойкостью и химической стойкостью. Он имеет хорошую термическую стабильность и способность сохранять свои свойства при высоких температурах.

INNOVANO 4YSZ GB(525/1) S 812 также обладает высокой плотностью и устойчивостью к излому, что делает его идеальным материалом для изготовления деталей, подверженных механическим нагрузкам. Он также обладает хорошей электроизоляционной способностью и долговечностью.

Этот порошок может быть использован для создания различных изделий, таких как корпуса приборов, детали для авиационной и космической техники, медицинские имплантаты и прочие изделия, требующие высокой прочности и устойчивости к воздействию внешних факторов.

5.2 Методики

1.Пресование в стальной пресс-форме

2.Измерение геометрических параметров прессованных образцов. При помощи штангенциркуля.

3.Измерение массы прессованных образцов.

4. Отжиг прессованных образцов.

5. Измерение параметров и массы отожженных образцов.

6.Спекание образцов

7. Измерение параметров и массы спеченных образцов.

6.Экспериментальные результаты. 6.1Прессование в стальной пресс-форме.

Пресс-форма состоит из статичной матрицы и нижнего и верхнего подвижного пуансона, которые внутри содержат формирующую полость, задающую изделию нужную форму.

Для изготовления прессовки мы подготавливаем пресс-форму, собираем её, затем отмеряем нужное количество порошка, в нашем случае 1 грамм. Пересыпаем в форму и затем помещаем её под пресс с силой сжатия 14,2кН.

После изготовления одной прессовки делаем еще две.

Измерение геометрических параметров прессованных образцов.

6.2 Измерение геометрических параметров прессованных образцов.

Для окончательного результата замеров каждый образец измеряем 5 раз, по каждому параметру, после чего рассчитываем приборную и случайную погрешности, затем рассчитываем абсолютную погрешность и заносим результаты в таблицу.

6.3. Результаты

7. Измерение плотности образцов.

После того, как образцы были испечены я измерила прессовки и после финальных замеров и расчетов измеряла плотность прессовок. Измерения проводились двумя способами: геометрический и гидростатический. Итог расчетов был занесен в таблицу, что представлена на слайде.

8. Результаты и выводы.

В данной работе исследовалось влияние начальной плотности прессовок, сделанных из исходного порошка оксида циркония, а также температуры свободного спекания полученных прессовок на конечную плотность спеченных керамик. Показано, что с увеличением начальной плотности и температуры спекания плотность конечных образцов возрастает.