CC BY
80
УДК 621.319.4:620.179
П.М. Плетнёв, Г.В. Симонова, С.А. Степанова СГГА, СГУПС, Новосибирск
СВЯЗЬ МИКРОСТРУКТУРЫ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ КЕРАМИКИ С ЕЁ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ
P.M. Pletnev, G. V. Simonova, S.A. Stepanova
Siberian State Academy of Geodesy (SSGA)
10 Plakhotnogo UI., Novosibirsk, 630108, Russian Federation
THE CONNECTION MICROSTRUCTURE OF FUNCTIONAL CERAMICS WITH IT PHYSICAL-TECHNICAL PROPERTIES
The various kinds of functional ceramics are investigated. The connection of microstructure of ceramics with it physic-technical properties was shown. The results which was received allow to optimize quality surveillance of ceramic materials.
Название «керамика» объединяет виды материалов, изготовленных по керамической технологии [1].
На любые свойства всех видов керамических материалов решающее влияние оказывает их строение.
Под строением подразумевается взаимное сочетание и распределение кристаллической, стекловидной (аморфной) и газовой фазы (т. е. пор), их физико-химическая природа и количественное соотношение. Особенности строения керамики оценивают путём исследования её микроструктуры. Микроструктура керамики устанавливает природу кристаллических фаз, характер их строения; количество стеклофазы, характер её распределения между зёрнами кристаллической фазы; объём пористости, размеры пор и их взаимное расположение. Для всех видов керамики существует однозначная зависимость между режимами изготовления керамики, её микроструктурой и свойствами готового материала.
В данной работе рассматривается взаимосвязь микроструктуры функциональных видов керамики с их физико-техническими свойствами.
Исследование микроструктуры производились под микроскопом в отражённом свете при увеличении порядка 360 крат. Для количественных определений параметров микроструктуры керамики применялся линейный метод.
Алюмооксидная керамика ВК95-1 имеет следующий химический состав (% мас.): Al2O3 - 95,3; SiO2 - 3,3; MgO - 1,2; CaO - 0,2. Для этой керамики характерны высокая механическая прочность и стабильность диэлектрических свойств. Наиболее уязвимым местом данного вида керамики является нарушение герметичности её спая с металлом, что приводит к нарушению работы приборов, в которых она используется [2].
В табл. 1 приведена микроструктура керамики ВК95-1, обеспечивающая герметичные спаи керамики с металлом.
Таблица 1
Средний размер кристаллов корунда, мкм Стеклофаза Поры
Содержание, % Размер участков, мкм Цвет стеклофазы Содержание, % Размер, мкм
5-10 4,0-9,0 2,0-4,0 светло-зелёный < 4,0 < 8,0
Все параметры микроструктуры тесно связаны между собой и обеспечены соответствующим режимом изготовления керамики. Цвет и размер участков стекловидной фазы говорят о её химическом составе, который сформировался в процессе окончательного обжига керамических изделий. В это же время формируется кристаллическая фаза и пористость.
В процессе вжигания металлизационной композиции происходит её химическое взаимодействие со стеклофазой керамики, обеспечивающее прочное герметичное соединение керамики с металлизационным слоем, по которому затем проводилось спаивание керамической детали с металлической.
Форстеритовая керамика ВФ52.42-1 имеет химический состав: &Ю2 -40,1; MgЮ - 52,2; ВаЮ - 5,95; А12Ю3 - 0,71; ^е2Ю3 - 0,33 % (мас.). Форстеритовыми называются изделия, содержащие в основном форстерит-ортосиликат магния Mg 2 £/04.
Критерии микроструктуры форстеритовой керамики, обеспечивающей герметичные спаи керамики с титановыми деталями, установлены на основании следующих исследований:
- Микроструктуры керамических деталей из приборов, сохранивших вакуумную плотность в течение 5-6 лет;
- Микроструктуры керамических деталей из приборов, потерявших герметичность в процессе изготовления или в короткий срок после изготовления.
В табл. 2 приведены параметры оптимальной микроструктуры форстеритовой керамики ВФ 52.42-1.
Окраска стеклофазы указывает на её химический состав (барий-алюмо-силикатная стеклофаза), способный образовывать с титаном герметичные спаи.
Таблица 2
Средний размер кристаллов форстерита, мкм Стеклофаза Пористость
Содержание, % Размер участков, мкм Окраска Содержание, % Размер, мкм
> 4,0 > 10 1,5-2,0 тёмно-зелёно-серая < 6,5 2,0-3,0
Широкий изоморфизм системы ЦТС (титанат-цирконат свинца) позволяет получать в значительных пределах твёрдые растворы различных оксидов со структурой перовскита и создавать на этой основе разнообразные высокоэффективные пьезокерамические материалы.
Наши исследования выполнены на пьезокерамике состава ЦТБС-3, содержание оксидов в котором составляет (масс. %): PbO - 54,6; SrO - 0,6; BaO - 12,2; ZrO2 - 21,0; т2 - 11,6 %.
Задача настоящего исследования - установление взаимосвязи микроструктуры пьезокерамики ЦТБС-3 с повышением механической прочности керамики, её стабилизацией и воспроизводимостью. При этом, безусловно, ставилась задача сохранения необходимых электрофизических свойств керамики [3].
Рентгенофазовым анализом установлено наличие одной кристаллической фазы - твёрдого раствора цирконата-титаната свинца, присутствие других кристаллических фаз не обнаружено. В данных видах керамики также отсутствует стекловидная фаза. С помощью оптической и электронной микроскопии изучены форма и размеры зёрен кристаллической фазы, их распределение, плотность установки, количество пор, их размеры и распределение в керамическом материале. Микроструктура с определёнными параметрами достигалась введением в керамику микродобавок. Использован способ введения микродобавок - обработка пористых керамических изделий в водных растворах солей, с последующим обжигом. Введение двухвалентных ионов (Са2+;А^2+;572+) обеспечивает более равномерную, мелкозернистую структуру пьезокерамики по сравнению с микроструктурой исходной керамики ЦТБС-3. При этом повышается механическая прочность пьезокерамики и её стабильность (табл. 3).
Таблица 3
Микродобавка Параметры кристаллофазы Параметры газовой фазы Прочность пьезокерамики
dср, мкм Форма и распределение кристаллов Содержан ие пор, % Размер пор, мкм Изменени е прочност и, % Коэффицие нт вариации, %
без добавок (к. обр.) 5 (4-6) округлая, крупные зёрна 3,0 5-10 - 17
Sr2+ 3 (2-4) округлая, равнозернистая; плотное 3,0 6-12 + 15 9
Ca2+ 4 (3-6) округлая, равнозернистая; плотное 2,5 10-12 + 6 8
Mg 2+ 3 (2-5) округлая, равнозернистая; плотное 1,0 5-10 + 4 10
В последние два десятилетия существенно расширилась область применения изделий из ферритовой керамики.
В данной работе был исследован марганец-цинковый феррит 3 000 НМС состава: Fe203 - 71,1; MnЮ - 19,6; ZnЮ - 7,8; NЮ - 0,9 % (мас.), используемый в прецизионном приборостроении. Изучена микроструктура данного феррита в зависимости от обработки пористых ферритовых изделий водными растворами солей с последующим обжигом и зависимость микроструктуры керамики со свойствами готового материала.
В табл. 4 приведены параметры микроструктуры керамики 3 000 НМС, полученной в зависимости от введённой микродобавки, и связанные с данной микроструктурой свойства феррита [3].
Таблица 4
Микродоб авка, 0,7 % (мол.) Микроструктура образцов Изменение свойств феррита по отношению к контрольным образцам, %
Средний размер кристаллов, мкм Пористос ть, % Магнитные потери, т/ М Магнитная проницаемость, Дц/ц Прочность, &п/п
СаЮ 20 10 + 23 - 19 + 40
СиЮ 45 12 - 12 + 4 + 20
СоЮ 31 5 + 73 - 44 + 45
Ы2О3 60 10 - 4 + 10 + 30
Бш20з 13 7 + 13 + 5 -
2ГЮ2 60 11 + 112 - 44 + 50
V/ 2О3 35 8 + 13 - 8 + 78
^05 70 6 + 18 - 10 + 80
Из таблицы следует, что промышленный феррит марки 3 000 НМС характеризуется крайне неравномерной крупнокристаллической микроструктурой со средним размером зерна от 15 до 60 мкм, при разбросе его величины от 4 до 320 мкм. Пористость составляет 8-10 %. Выявлено, что партии феррита, изготовленные в различное время, существенно отличаются друг от друга микроструктурой.
Из табл. 4 видно, что модифицирование оксидом ванадия приводит к образованию кристаллов правильной шестигранной формы с чёткой огранкой.
Поры - мелкие, округлые, частично находятся внутри кристаллов, а не между ними. Такая структура является наименее напряжённой, которая определяет высокий уровень физико-технических параметров материала.
Проведённые эксперименты показали, что существует однозначная связь микроструктуры керамики с её физико-техническими свойствами. Это позволяет оптимизировать контроль качества керамики и повысить его достоверность.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Богородицкий, Н.П., Кальменс Н.В. и др. Радиокерамика. - М.-Л.: Государственное энергетическое изд-во, 1973.
2. Степанова, С.А., Плетнёв, П.М. и др. Алюмооксидная функциональная керамика // Вестник УГТУ. Екатеринбург: Международная научно-техническая конференция «Физикохимия и технология оксидносиликатных материалов». - 2000. - № 1.
3. Верещагин, В.И., Плетнёв, П.М. и др. Функциональная керамика. -Новосибирск: «Наука», 2004.
© П.М. Плетнёв, Г.В. Симонова, С.А. Степанова, 2009
