Prezentacja programu PowerPoint

Transkrypt

2015-05-26
Materiały
Kowalencyjne
Materiały Ceramiczne – Materiały Kowalencyjne
węgliki, azotki,
borki, krzemki, …
Węgliki
1
2015-05-26
Węgliki
… związki chemiczne węgla z metalami
Węgliki kowalencyjne (diamento-podobne) - SiC, B4C;
Węgliki jonowe – solo-podobne, węgliki metali I-III grupy;
Węgliki interstycjalne – wewnątrzsieciowe, węgliki metali przejściowych –
TiC, WC;
Węglik krzemu
- o stechiometrii SiC z niewielkimi odstępstwami, karborund, rzadko
występuje w przyrodzie, odkryty przez H. Moissana (meteoryt),
produkcja na skalę przemysłową od lat 60-tych XX w.
Węglik krzemu – polimorfizm
SiC jest jedynym związkiem w układzie Si-C, dwie podstawowe odmiany
polimorficzne:
β-SiC – symetria regularna typu sfalerytu;
α-SiC – symetria heksagonalna lub romboedryczna typu wurcytu;
2
2015-05-26
Węglik krzemu – polimorfizm
Błędy ułożenia tworzą ponad 300 politypów, najważniejsze to 3C (β-SiC),
6H (α-SiC), 4H i 15R;
3C
4H
6H
Węglik krzemu – otrzymywanie
Metoda Achesona
… karbotermiczna redukcja krzemionki, najstarsza (koniec XIX w.) i
najbardziej rozpowszechniona, tania;
SiO2 + C  SiO(g) + CO(g)
SiO2 + CO(g)  SiO(g) + CO2(g)
C + CO2(g)  2 CO(g)
SiO(g) + 2 C  SiC + CO(g)
•
•
•
•
•
•
surowce: piasek, sadza, koks, topniki (NaCl, NaF);
produkt kruszy się, miele i klasyfikuje;
proszek o czystości technicznej ~95-98% SiC, karborund;
stosowany głównie jako materiał ścierny i polerski;
nie nadaje się do spiekania ze względu na zanieczyszczenia, głównie
SiO2;
nadaje się do otrzymywania tworzyw SiC reakcyjnie wiązanych.
Metoda Achesona
3
2015-05-26
Metoda bezpośredniej syntezy
•Si + C  SiC
reakcja zachodzi powoli wskutek tworzenia się warstwy pasywacyjnej SiC
na ziarnach węgla;
Metoda SHS
• gwałtowne spalanie proszków Si i C;
• złoże osiąga poprzez samoogrzewanie temparaturę ~2500°C;
• synteza zachodzi wskutek topienia krzemu i reakcji z aktywną sadzą;
• stopień przereagowania ~100%;
• czas ~30s;
Chemiczna krystalizacja z fazy gazowej (CVD)
SiCl4 + C7H8 +2H2  SiC + 4HCl + n CxHy
• temperatura 1300-2000C;
• możliwość otrzymywania różnych
warstwy, krótkie włókna i whiskery;
form
krystalicznych:
proszek,
Rozkład prekursorów organometalicznych
możliwość wytwarzania kryształów włoskowatych i włókien, również
długich (Nicalon);
Węglik krzemu – spieki
Podział ze względu na metodę zagęszczania i mikrostrukturę:
•
•
•
•
•
rekrystalizowany – RSiC;
reakcyjnie wiązany – RBSiC;
spiekany swobodnie – SSiC;
prasowany na gorąco – HPSiC;
izostatycznie prasowany na gorąco – HIPSiC.
4
2015-05-26
Węglik krzemu – rekrystalizowany
Spiekana jest mieszanina dwóch frakcji
proszku SiC gruboziarnistej (~20μm)
i drobnoziarnistej (~1 μm) w temperaturze
2200-2400°C.
Drobne ziarna
ulegają sublimacji i poprzez fazę gazową
rekrystalizują w miejscach kontaktów
dużych ziaren z utworzeniem wiążącej
duże ziarna. Materiał spieka się bez
skurczu do gęstości ok. 80%.
Węglik krzemu – reakcyjnie wiązany SiC
Ziarna
proszku
α-SiC
wiązane
są
drobnokrystalicznym SiC powstającym in situ w
reakcji krzemu i węgla w procesie prowadzonym w
temperaturze powyżej temperatury topnienia
krzemu.
Węglik krzemu – reakcyjnie wiązany …
Grube ziarna proszku α-SiC wiązane
są drobnokrystalicznymi proszkami
lepiej spiekających się faz, Si3N4,
lub fazami tworzącymi przejściowo
ciecz – YAG, krzemiany;
5
2015-05-26
Węglik krzemu – spiekany swobodnie
Metodę spiekania swobodnego SiC do wysokich gęstości opracował
S. Prochazka (1973);
• proszek SiC <0,8 μm,
• wysoka czystość chemiczna (suma zanieczyszczeń <0,5%),
• dodatek boru lub glinu (do 0,5%),
• dodatek węgla do 4%, najlepiej jako warstwa na powierzchni ziaren,
• temperatura 2150-2350oC,
• atmosfera argonu lub azotu,
Węglik krzemu – spiekany pod ciśnieniem
HPSiC
•
•
•
•
•
temperatura prasowania do 2150°C,
prasowanie w formach grafitowych przy Pmax= 50 MPa,
dodatki: Al, B, Fe2O3, MgO, Al2O3 i inne (źródło fazy ciekłej),
tworzywa praktycznie pozbawione porowatości,
proste kształty,
HIPSiC
•
•
temperatura prasowania do 2150°C,
ciśnienie do 300 MPa,
Węglik krzemu – właściwości
Gęstość
g·cm-3
•
•
•
•
3,22
Moduł Younga
GPa
390-480
Temperatura rozkładu
°C
2830
Wytrzymałość na zginanie
MPa
170-550
Współczynnik rozszerzalności
cieplnej, K-1
4·10-6
Wytrzymałość na ściskanie
GPa
1,5-3,5
Przewodność cieplna
W/(m·K)
170
KIc
MPa·m½
4-5,5
Przewodność elektryczna
W·cm-1
0,1 (3 eV)
Twardość Vickersa
GPa
21-33
Odporność na wstrząs cieplny
°C
350-500
Twardość Mohsa
9,5
nierozpuszczalny w kwasach organicznych i ich mieszaninach, odporny na HF;
odporny na utlenianie do 1350°C – pasywacja powierzchniową warstwą SiO2;
zastosowanie do 1900°C;
temperaturowa stabilność wytrzymałości;
6
2015-05-26
• SiC jest półprzewodnikiem ze skośną przerwą energetyczną, z
szerokością pasma zabronionego od 2,4 do 3,3 eV (krzem 1,12 eV),
• ma szeroki zakres temperatury pracy, do 600°С, i mały prąd wsteczny
(> 70 μA),
• ma dziesięciokrotnie wyższą wartość napięcia przebicia niż krzem,
• aktualnie – diody Schottki’ego,
• perspektywy - urządzenia elektroniczne i energoelektroniczne pracujące
wysokiej temperaturze, odporne na promieniowanie radioaktywne,
wysokie gęstości mocy, wysoka sprawność energetyczna, wysokie
częstotliwości,
• dioda Schottki’ego – bardzo krótkie czasy przełączania (setki GHz), mały
spadek napięcia, dla Si - znaczne prądy wsteczne (μA), niskie napięcia
przebicia,
No to w czym problem?
7
2015-05-26
Węglik krzemu – zastosowanie
W postaci proszków, gęstych spieków, spieków wiązanych i kompozytów:
• elementy maszyn - części silników, turbin, łopatki wirników, gniazda
zaworów;
• elementy aparatury chemicznej - mufle pieców, wykładziny
elektrolizerów, wykładziny reaktorów;
• elementy odporne na ścieranie - dysze do piaskowania, dysze do
spawania, ustniki do cięcia wodnego;
• wymienniki ciepła;
• elementy grzewcze;
• materiały do obróbki mechanicznej metali - ściernice, przecinaki,
proszki ścierne i polerskie;
• elementy konstrukcyjne pieców przemysłowych;
Węglik krzemu – zastosowanie
Węglik boru
nie występuje w przyrodzie, odkryto
go w XIX wieku jako produkt
odpadowy reakcji otrzymywania
boru i zsyntezowany przez Henri
Moissana w 1899. Podstawowa
stechiometria
to
B4C,
w
rzeczywistych
materiałach
obserwuje
się
deficyt
węgla
dochodzący do B12C2.
8
2015-05-26
Węglik boru - struktura
Romboedryczna, warstwowa struktura
składa
się
z
dwudziestościanów
(ikosaedrów)
B12
połączonych
łańcuchami C3 lub
C-B-C. Może
również nastąpić podstawienie boru
przez węgiel.
Węglik boru - otrzymywanie
Bezpośrednia synteza
•B + C  B4C
reakcja zachodzi gwałtownie (SHS), temperatura adiabatyczna osiąga
2500°C, produkt zawiera dużo zanieczyszczeń;
Karbotermiczna redukcja
2 B2O3 + 7 C → B4C + 6 CO
Magnezotermia
2 B2O3 + 6 Mg +C → B4C + 6 MgO
Węglik boru – spiekanie
• spiekanie swobodne z fazą ciekłą, aktywatory – C, Si, Cr2O3, B, 97%
gęstości teoretycznej w 2200°C;
• spiekanie pod ciśnieniem (HP, 1900–2150°C, 25-50 MPa) z dodatkami
CrB2, Cr2Si;
9
2015-05-26
Węglik boru – właściwości
2,52
Moduł Younga
GPa
Temperatura topnienia
°C
Gęstość
g/cm3
2763
GPa
2-3
cieplnej, K-1
5,6·10-6
MPa
300-500
Przewodność cieplna,
W/(m·K)
30-40
KIc
MPa·m½
3,0-5
100
Twardość Vickersa
GPa
38
Twardość Mohsa
9,5
Przewodność elektryczna,
Ω/cm
450-470
• wysoka odporność chemiczna;
• odporność na utlenianie do 500°C;
Węglik boru – zastosowanie
W postaci proszków, spieków, kompozytów, pokryć:
•dysze do piaskowania;
•dysze do cięcia wodnego;
•osłony antybalistyczne;
•materiały ścierne;
•narzędzia skrawające;
•absorbery promieniowania w reaktorach;
Węglik tytanu
w przyrodzie występuje w postaci
bardzo
rzadkiego
minerału
khamrabevit, (Ti,Fe,V)C, obecnego
np. w meteorytach. Występuje w
szerokim zakresie odstępstwa od
stechiometrii, zazwyczaj jest to TiC1x, z przypadkowo rozmieszczonymi
wakancjami węglowymi. TiC, jest
typowym węglikiem interstycjalnym
– węgiel rozpuszcza się w sieci
metalicznego tytanu, typu halitu,
lokując się w lukach oktaedrycznych.
10
2015-05-26
Węglik tytanu – otrzymywanie
Bezpośrednia synteza (SHS)
Ti + C → TiC
TiO2 + 2 C → TiC + CO2
Spiekanie swobodne z dodatkiem aktywatorów, lub prasowanie na
gorąco (HP, HIP, SPS).
Węglik tytanu – otrzymywanie
4,94
Moduł Younga
GPa
°C
Gęstość
g/cm3
3065
GPa
1,8
cieplnej
K-1
7,8·10-6
MPa
do 700
W/(m·K)
50
Ω/cm
10-3
(n)
450
KIc
MPa·m½
4-5,5
Twardość Vickerska
GPa
29-32
Twardość Mohsa
9-9,5
• bardzo wysoka odporność na ścieranie;
• dobra odporność na utlenianie;
Węglik tytanu – zastosowanie
W postaci proszków, spieków, kompozytów, warstw:
• narzędzia skrawające,
• elementy maszyn odporne na ścieranie,
• pokrycia ochronne na narzędziach,
11
2015-05-26
Węglik wolframu
nie występuje w przyrodzie. Podobnie jak TiC struktura WC wygląda jest
roztwór stały węgla w wolframie. Heksagonalny α-WC w ok. 2400C
przechodzi w β-WC o strukturze typu NaCl. W2C ma strukturę wolframu.
Węglik wolframu - otrzymywanie
Bezpośrednia reakcja (SHS) w 1400–2000°C
Karbotermiczna redukcja WO3 w złożu fluidalnym mieszaniną Co/CO2/H2
w 900-1200°C.
CVD do nanoszenia warstw pokryć:
WCl6 + H2 + CH4 → WC + 6HCl
WF6 + 2H2 + CH3OH → WC + 6HF + H2O
Węglik wolframu - właściwości
15,8
Moduł Younga
GPa
550
°C
Gęstość
g/cm3
2870
GPa
1-1,5
cieplnej, K-1
6·10-6
MPa
350
Przewodność cieplna
W/(m·K)1
84
KIc
MPa·m½
4,5
Ω/cm
10-7
Twardość Vickersa
GPa
24
Twardość Mohsa
9-9,5
• bardzo wysoka odporność na ścieranie;
• słabsza odporność na utlenianie;
12
2015-05-26
Węglik wolframu - zastosowanie
• w postaci kompozytów MMC – duże ziarna WC w osnowie Co, Ni narzędzia skrawające (vidia),
• w
postaci
jednofazowych
spieków
–
rdzenie
amunicji
przeciwpancernej, ostrza narzędzi tnących, mielniki, reflektory
neutronów, biżuteria,
• w postaci warstw – elementy maszyn narażone na ścieranie,
Azotki
Azotki
… związki chemiczne azotu z metalami
•
•
•
•
•
przeważające wiązania kowalencyjne;
dobre właściwości mechaniczne;
wysoka stabilność temperaturowa właściwości mechanicznych;
bardzo dobra odporność na wstrząs cieplny - ΔT= 700-900K;
dobra odporność na działanie agresywnych chemicznie środowisk;
13
2015-05-26
Azotek krzemu
jedyna faza w układzie Si-N to Si3N4 występująca w dwóch odmianach
polimorficznych - niskotemperaturowa α trwała do 1420°C, sieć
heksagonalna P31c oraz wysokotemperaturowa β, sieć heksagonalna
P63,
Azotek krzemu - polimorfizm
Obie odmiany zbudowane są z tetraedrów [SiN4]8-, w których wiązanie
Si-N w 80% jest wiązaniem atomowym a w 20% jonowym; istniej
możliwość powstawania struktur podobnych do krzemianów, w których
tetraedry tworzą wstęgi, szkielety, struktury warstwowe itd. Przejście
αβ jest nieodwracalne aczkolwiek α i β mają bardzo zbliżone
właściwości fizykochemiczne.
Azotek krzemu - otrzymywanie
Reakcja bezpośrednia
metoda najczęściej stosowana, proszki Si o ziarnie 50-100 μm, azot lub amoniak,
1150-1300°C przez czas potrzebny do przereagowania 40% układu (unikanie
stopienia Si i zmniejszenia powierzchni dostępnej do reakcji), 1450-1600°C;
SHS
metoda wykorzystująca silnie egzotermiczny efekt bezpośredniej reakcji
kJ/mol), do 100 atm. azotu, rozcieńczenie złoża dodatkiem Si3N4;
(-733
Karbotermiczna redukcja SiO2
3 SiO2 + 6 C +2 N2 → Si3N4 + 6 CO
1200-1550°C, zanieczyszczenia nieprzereagowaną krzemionką i węglem;
CVD
amonoliza czterochlorku krzemu w 1200°C:
3 SiCl4 + 4 NH3 → Si3N4 + 12 HCl
metoda wykorzystywana do otrzymywania bardzo czystych i drobnoziarnistych
proszków o rozmiarach cząstek od 1 nm do 1 μm.
14
2015-05-26
Azotek krzemu – spiekanie
Podobnie jak w przypadku SiC gęste spieki można otrzymać drogą
wiązania reakcyjnego (RBSN), spiekania swobodnego z dodatkami
tworzącymi fazę ciekłą (SSN) lub prasowania na gorąco (HPSN,
HIPSN, SPSSN).
Azotek krzemu – spiekanie
Można również uzyskać porowate spieki Si3N4 bezpośrednio przez
azotowanie krzemu:
•wypraska z proszku krzemowego (10-80 μm) jest wstępnie spiekana w
1200°C w argonie do gęstości ok. 50 %;
•wzrost temperatury do 1250-1350°C w atmosferze azotu prowadzi do
tworzenia się zarodków Si3N4;
•powolny wzrost temperatury powoduje rozrost ziaren azotku ich
łączenia się i izolacji porów;
•dalszy wzrost ziaren α-Si3N4 w porach następuje drogą CVD;
•ostatecznie materiał składa się z ok. 60% α-Si3N4, 38% β-Si3N4,
2% Si i 10-20 % obj. porowatości;
Azotek krzemu – właściwości
Gęstość
g/cm3
3,31
Moduł Younga
GPa
310
°C
1980
GPa
0,7-2,7
cieplnej, K-1
3,5·10-6
MPa
700-900
W/(m·K)
63
KIc
MPa·m½
5-8 (?)
W/cm
10-15
Twardość Vickersa
GPa
22
K
750-1000
(HPSN)
Twardość Mohsa
9
•
•
•
•
wysoka odporność chemiczna;
średnia odporność na ścieranie;
stałość wytrzymałości z temperaturą;
słabsza odporność na utlenianie;
15
2015-05-26
Azotek krzemu – właściwości
Azotek krzemu – zastosowanie
W postaci spieków i pokryć:
• elementy turbin gazowych: łopatki, kierownice, wirnik;
• elementy silników wysokoprężnych: tłoki, tuleje, głowice cylindrów,
zawory, łożyska, elementy turbosprężarki;
• łożyska kulowe i ślizgowe;
• elementy pomp;
• noże, frezy;
• ustniki do odlewania metali;
• formy i tygle;
• elementy wymienników ciepła;
• elementy pieców, rury, elementy izolacyjne, rurki termoparowe;
• elementy aparatury chemicznej;
• osłony, dysze silników odrzutowych;
• podłoża obwodów elektronicznych;
Azotek boru – właściwości
W 2009 w Tybecie odkryto inkluzje azotku boru o strukturze regularnej w
skałach chromitowych, minerał zatwierdzono w 2013 r i nazwano
qingsongitem.
16
2015-05-26
Azotek boru jest związkiem izoelektronowym z węglem i posiada podobny
polimorfizm.
faza heksagonalna
typu grafitu
faza regularna
typu sfalerytu (c-BN)
faza heksagonalna
typ wurcytu (w-BN)
Azotek boru – otrzymywanie
• Bezpośrednia synteza z pierwiastków, w tym SHS:
2B +N2 → 2 BN
• Reakcje chemiczne tlenowego prekursora z amoniakiem:
B2O3 + 2NH3 → 2BN + 3H2O
Na2[B4O5(OH)4] + 4NH4Cl → 4BN + 2NaCl + 2HCl + 9H2O
B(OH)3 + 3NH3 → BN + 2NH3 + 3H2O
B2O3 + CO(NH2)2 → 2BN + CO2 + 2H2O
B2O3 + 3CaB6 + 10N2 → 20BN + 3CaO
• Spalanie proszku boru w plaźmie azotowej w 5500°C;
• Metoda CVD do otrzymywania cienkich warstw:
2BCl3 + N2 → 2BN + 3Cl2
Azotek boru – otrzymywanie
• Produktem syntez chemicznych (900-1500°C) jest amorficzny azotek
boru, który przechodzi w h-BN w trakcie ogrzewania powyżej 1500°C w
atmosferze azotu.
• Regularny azotek boru otrzymuje się drogą wygrzewania h-BN w 17303230°C, pod wysokim ciśnieniem, 5-18 GPa. Niewielki dodatek tlenku
boru, litu, potasu, magnezu lub ich azotków obniża temperaturę do
1500°C a ciśnienie do 4-7 GPa.
• Przemysłowe metody otrzymywania c-BN to krystalizacja w gradiencie
temperatur i metoda wybuchowa (heterodiament B-C-N).
• Cienkie warstwy c-BN można otrzymać w atmosferze BF3 metodami
stosowanymi w otrzymywaniu warstw diamentowych: wiązka jonowa,
PA-CVD, reakcyjne rozpraszanie oraz ablacja laserowa.
• Azotek boru o strukturze wurcytu, w-BN, otrzymuje się w
powyżej1700°C, pod wysokim ciśnieniem statycznym lub dynamicznym
z c-BN. Produktem jest zazwyczaj mieszanina faz.
17
2015-05-26
h-BN
c-BN
w-BN
Cd
Gęstość, g·cm-3
2,1
3,45
3,49
3,515
3,5·10-6
TEC, K-1
-2,7; 38
Przewodność cieplna, W/(m·K)
600; 30
740
Przewodność elektryczna , Ω/cm
10-11
10-14
Moduł Younga , GPa
36-40
850 (mono)
Wytrzymałość
50-80 MPa
(zginanie)
5 GPa
(ściskanie)
Temperatura rozkładu, °C
Twardość Mohsa
600-2000
400 (?)
1140
10
10
2973
8
9-10
Wysoka odporność chemiczna, b. niska zwilżalność, odporność termiczna
do 1300°C w powietrzu (pasywacja), do temperatury sublimacji w
atmosferze ochronnej;
Azotek boru – zastosowanie h-BN
• elementy niskotarciowe i środki poślizgowy – nawet do 900°C, w
atmosferze utleniającej lub próżni (lepiej niż grafit);
• składnik cementów stomatologicznych;
• składnik kosmetyków;
• elementy urządzeń wysokotemperaturowych, osłony termiczne - również
wiązany tlenkiem boru;
• elementy układów elektronicznych – podłoża obwodów zintegrowanych,
radiatory ciepła, okienka mikrofalowe;
• izolatory elektryczne;
• elementy uszczelniające, pierścienie;
• tygle do topienia próżniowego i CVD;
Azotek boru – zastosowanie c-BN
• Materiały ścierne do obróbki stali (lepiej niż diament);
• Narzędzia skrawające (ziarna c-BN wiązane tlenkiem boru i metalami);
• Okienka w urządzeniach rentgenowskich;
18
2015-05-26
Azotek glinu
nie występuje w przyrodzie, po raz pierwszy otrzymany w 1877,
zainteresowanie dopiero od lat 80-tych XX w. Dwie odmiany
polimorficzne, odmiana heksagonalna typu wurcytu w wysokich
temperaturach i pod wysokim ciśnieniem przechodzi w odmianę
regularną typu sfalerytu.
Azotek glinu - otrzymywanie
Bezpośrednia reakcja, SHS - atmosfera azotu lub amoniaku, z proszku
glinu lub jego mieszaniny z tlenkiem, niskie ciśnienie azotu,
rozcieńczenie proszkiem AlN;
Karbotermiczna redukcja tlenku glinu:
Al2O3 + 3 C + N2 → 2 AlN + 3 CO
Spiekanie swobodne proszków wymaga stosowania dodatków tlenkowych
zazwyczaj YAG-u, SiO2, MgO;
Spiekanie pod ciśnieniem, również z dodatkami tlenkowymi;
Azotek glinu – właściwości
3,26
Moduł Younga
GPa
350
°C
Gęstość
g/cm3
2200
MPa
400
cieplnej, K-1
4,5·10-6
Wytrzymałość na ściskanie,
GPa
2
W· (m·K)-1
285 mono
170 poli
KIc, MPa·m½
3,5
Ω/cm
10-14
Twardość Vickersa, GPa
15
Stała dielektryczna
8,6
Twardość Mohsa
5
• W próżni rozkłada się w ok. 1800°C;
• W powietrzu pasywuje się i jest trwały do ok. 1400°C;
• Spieki wolno rozpuszczają się w kwasach (granice międzyziarnowe) i
zasadach (wnętrza ziaren). Proszki silnie hydrolizują;
19
2015-05-26
Azotek glinu – zastosowanie
W postaci jednofazowych spieków:
• podłoża obwodów elektronicznych,
• podłoża tranzystorów mocy,
• podłoża obwodów scalonych,
• obudowy urządzeń mikrofalowych,
• wyposażenie wnętrza pieców przemysłowych,
• elementy urządzeń metalurgicznych,
• tygle i podłoża do krystalizacji GaN;
Borki
Borek tytanu
nie występuje w przyrodzie nawet w Canyon Diablo,
właściwości i największe zainteresowanie wzbudza TiB2;
najlepsze
20
2015-05-26
Borek tytanu – struktura
struktura heksagonalna z naprzemienymi warstwami Ti (ułożenie
regularne) oraz B (heksagonalne gęste ułożenie), silne wiązania
kowalencyjne B-B oraz B-Ti, metaliczne Ti-Ti;
Borek tytanu – otrzymywanie
Bezpośrednia synteza >1000°C, również SHS w złożu rozcieńczonym solą,
Ti + 2B  TiB2
NaBH4 + TiCl4 (reakcja w roztworze+starzenie w 900–1100°C = nano)
TiO2 + B2O3 + 5C  TiB2 + 5CO
Borotermiczna redukcja
2TiO2 + B4C + 3C → 2 TiB2 + 4CO
TiH2 + 3B  TiB2 + BH2
3TiO2 + 10B  3TiB2 + 2B2O3
Synteza solwotermalna w benzenie, 400°C
TiCl4 + 2B + 4Na → TiB2 + 4NaCl
Mechanical alloying
Borek tytanu – właściwości
4,52
Moduł Younga
GPa
°C
Gęstość
g/cm3
3215
GPa
1,8
cieplnej, K-1
3,5·10-6
MPa
400-450
W/(m·K)
96
KIc
MPa·m½
4-6
105
Twardość Vickersa
GPa
25-35
Twardość Mohsa
9,5
Ω/cm
•
•
•
•
510-570
bardzo wysoka odporność na ścieranie;
dobra odporność chemiczna;
bardzo dobra odporność na działanie ciekłych metali;
odporność na utlenianie do 1100°C;
21
2015-05-26
Borek tytanu – zastosowanie
W postaci spieków, kompozytów, warstw i powłok:
• osłony antybalistyczne,
• narzędzia do obróbki skrawaniem,
• tygle,
• powłoki na narzędzia,
• katody do topienia aluminium,
Tlenoazotki
Sialony
… specyficzne roztwory stałe Si3N4 – Al2O3 zachowujące struktury
odmian polimorficznych azotku krzemu. Odkryte niezależnie w
1971/1972 w dwóch ośrodkach badawczych w Japonii (Osama) i Anglii
(Jack i Wilson);
22
2015-05-26
Sialony – struktury
Struktury sialonowe powstają przez zastąpienie odpowiednich atomów:
SiIV → AlIII oraz NIII → OII. Stosunek glinu do krzemu musi być taki sam
jak tlenu do azotu (warunek elektroobojętności sieci). Dwie podstawowe
formy strukturalne, analogiczne do struktur Si3N4, określa się
odpowiednio jako β-sialon i α-sialon. Istnieją również X-sialony oraz
O’-sialony (analog do Si2O2N).
Podstawowa stechiometria:
Si6-zAlzOzN8-z
gdzie z przyjmuje wartości od 0 do 4
Sialony – otrzymywanie
Reakcja bezpośrednia i karbotermiczna redukcja
mało wydajna metoda reakcji pomiędzy azotkiem krzemu i tlenkiem glinu
lub rzadziej między azotkiem glinu i krzemionką, często w wersji reakcji
karbotermicznej;
SHS
metoda z wykorzystaniem silnie egzotermicznej reakcji w mieszaninach
krzemu, glinu i/lub ich tlenków w atmosferze azotu, złoże jest zazwyczaj
rozcieńczane produktem;
Spiekanie
Możliwe jest wykorzystanie spiekania reakcyjnego, spieka się mieszaniny
proszków Si3N4-SiO2-AlN-Al2O3 o odpowiednio dobranych składach, HP,
HIP, SPS z dodatkami tlenkowymi;
Sialony – właściwości
Gęstość
g/cm3
3,24
Moduł Younga
GPa
°C
1800-1900
GPa
2
cieplnej, K-1
3,1·10-6
MPa
500-1150
350
W/(m·K)
20-80
KIc
MPa·m½
3,5-8,5
Ω/cm
10-10
Twardość Vickersa
GPa
12-20
K
400-900
Twardość Mohsa
7
• dobra odporność chemiczna;
• sialony są termodynamicznie stabilniejsze niż Si3N4;
• dobra odporność na ścieranie;
23
2015-05-26
Sialony – właściwości
Sialony dotowane niektórymi pierwiastkami ziem rzadkich wykazują zjawisko
fotoluminescencji i znajdują zastosowanie jako luminofory. Przykładowo: β-sialon
dotowany europem adsorbuje w zakresie od ultrafioletu do zakresu widzialnego i
intensywnie emituje w zakresie widzialnym do barwy zielonej. Wykorzystanie do
konstrukcji białej diody LED – zielony sialon + żółty sialon + czerwony CaAlSiN3.
Sialony – zastosowanie
•
•
•
•
•
•
•
Narzędzia skrawające,
Dysze spawalnicze,
Łożyska kulkowe i ślizgowe,
Ustniki do odlewania stopionych metali – miedzi, brązu, glinu, tytanu,
Tygle do metali i stopów,
Materiały ogniotrwałe;
Elementy „silnika ceramicznego”,
Alon
W układzie Al2O3-AlN istnieje kilka faz o różnych strukturach. Praktyczne
zastosowanie znajduje jedynie faza o strukturze spinelowej i
teoretycznym składzie Al3O3N – γ-alon. W praktyce istnieją jedynie
roztwory stałe o różnych stosunkach Al/(O,N) oraz O/N.
24
2015-05-26
Alon - otrzymywanie
Reakcja bezpośrednia w azocie
Al2O3 + AlN = Al3O3N
> 1200°C, do kilku dni, zazwyczaj wieloetapowo,
3 Al2O3 + 3 C + N2 = 2 Al3O3N + 3 CO
mieszanina korundu i sadzy reaguje w atmosferze azotu, 1700°C,
Spalanie
Al + O2 + N2 = Al3O3N
1500°C, produkty są zawsze zanieczyszczone korundem, innym
sposobem jest spalanie mieszaniny glinu i tlenku glinu w powietrzu,
SHS
reakcja mieszaniny glinu i tlenku glinu w azocie z wykorzystaniem
ciepła reakcji syntezy AlN,
Alon - właściwości
Gęstość
g/cm3
3,67
Moduł Younga
GPa
°C
2160
GPa
1,5
cieplnej, K-1
3,5·10-6
MPa
300-700
250-300
W/(m·K)
63
KIc
MPa·m½
2-3,5
Ω/cm
10-15
Twardość Vickersa
GPa
15-17
K
500-600
Przeźroczystość
nm
22-600
• dobra odporność na działanie ciekłych metali;
Alon – zastosowanie
25
2015-05-26
Fazy MAX
… zwane również fazami H, Hägga, Novotnego lub nanolaminatami. Są
to związki o stechiometrii Mn+1AXn gdzie: M - metal przejściowy, A –
pierwiastek grupy 7A, X – węgiel lub azot. Struktury są
heterodesmiczne, heksagonalne (P63/mmc) i specyficznie warstwowe.
Sieć zbudowana jest z naprzemiennych warstw ośmiościanów M6X z
dominującymi wiązaniami kowalencyjnymi i warstw atomów A
umiejscowionych w środkach pryzm trygonalnych. Ośmiościany M6X są
ze sobą połączone krawędziami.
MA X
Fazy MAX
Struktury są heterodesmiczne, heksagonalne (P63/mmc) i specyficznie
warstwowe.
Sieć zbudowana
jest z
naprzemiennych
warstw
ośmiościanów M6X z dominującymi wiązaniami kowalencyjnymi i warstw
atomów A umiejscowionych w środkach pryzm trygonalnych.
Ośmiościany M6X są ze sobą połączone krawędziami.
MA X
Fazy MAX
Fazy 211
Ti2CdC, Sc2InC, Ti2AlC, Ti2GaC, Ti2InC, Ti2TlC, V2AlC,
V2GaC, Cr2GaC, Ti2AlN, Ti2GaN, Ti2InN, V2GaN,
Cr2GaN, Ti2GeC, Ti2SnC, Ti2PbC, V2GeC, Cr2AlC,
Cr2GeC, V2PC, V2AsC, Ti2SC, Zr2InC, Zr2TlC, Nb2AlC,
Nb2GaC, Nb2InC, Mo2GaC, Zr2InN, Zr2TlN, Zr2SnC,
Zr2PbC, Nb2SnC, Nb2PC, Nb2AsC, Zr2SC, Nb2SC,
Hf2InC, Hf2TlC, Ta2AlC, Ta2GaC, Hf2SnC, Hf2PbC,
Hf2SnN, Hf2SC
Fazy
312
Ti3AlC2
V3AlC2
Ti3SiC2
Ti3GeC2
Ti3SnC2
Ta3AlC2
Fazy
413
Ti4AlN3
V4AlC3
Ti4GaC3
Ti4SiC3
Ti4GeC
Nb4AlC3
Ta4AlC3
Najlepsze właściwości mechaniczne mają fazy z układu T-Al-N-C,
26
2015-05-26
Fazy MAX – właściwości (Ti 3SiC2)
Gęstość
g/cm3
Moduł Younga
GPa
3,67
C
280-320
GPa
0,8
3,5·10-6
MPa
400-600
W/(m·K)
KIc
MPa·m½
4,5-11
Ω/cm
10-1
Twardość Vickersa
GPa
15
cieplnej, K-1
• odporność na utlenianie do 1000°C;
•,
Fazy MAX – właściwości (Ti 3SiC2)
TiC
Ti3SiC2
Ze względu na możliwość poślizgu na płaszczyznach o wiązaniach
metalicznych, fazy MAX wykazują pseudoplastyczne zachowanie, co
podnosi KIc i umożliwia obróbkę mechaniczną;
Fazy MAX – zastosowanie
W postaci jednofazowych spieków i kompozytów:
• osłony antybalistyczne;
• osnowy kompozytów zawierających diament na narzedzia skrawające;
• elementy grzejne;
• elementy osłon antyneutronowych w reaktorach;
• pokrycia styków elektrycznych wysokich mocy;
• prekursory Mxene-ów;
27
2015-05-26
MXene
dwuwymiarowe fragmenty fazy MAX (zazwyczaj węglików i azotków)
powstałe przez chemiczne wytrawienie płaszczyzn zawierających
pierwiastek A i defoliację;
Mxene – właściwości i zastosowanie
Mxene wykazują możliwość łatwej interkalacji
potencjalny elektrolit stały w ogniwach typu Li-ion.
jonami
alkalicznymi,
28

Prezentacja programu PowerPoint

Transkrypt

Podobne dokumenty

Flygt 2620 - Water Solutions

Slajd 1